Снижение напряжения в электросети: экономия и скрытые последствия.

Введение

В простой резистивной цепи уменьшение напряжения на сопротивлении приведет к уменьшению мощности, рассеиваемой в цепи.

Электроэнергия

Электроэнергетические компании обнаружили, что этот базовый принцип может сэкономить значительные средства как энергокомпаниям, так и их клиентам. Энергокомпании способны снизить пик кривых потребления электроэнергии, уменьшая напряжение в своей распределительной сети. Когда энергокомпания достигает точки, когда прогнозируемый спрос на электроэнергию превышает предложение, у нее есть только два варианта: либо покупать электроэнергию у другой компании, как правило, по значительной цене, либо снижать спрос. Часто энергокомпании используют системы управления нагрузкой для отключения кондиционеров, водонагревателей и насосов бассейнов клиентов с целью снижения спроса. Снижение напряжения стало еще одним способом для энергокомпаний снизить спрос, как правило, незаметно для потребителя. Однако только резистивная часть нагрузки реагирует на снижение напряжения, уменьшая суммарный спрос. Нагрузки, такие как лампы накаливания и нагревательные элементы, будут потреблять меньше энергии при пониженном напряжении. С другой стороны, нагрузки индукционных двигателей не подвержены влиянию снижения напряжения, поскольку ток просто возрастает, компенсируя отсутствие изменений или даже небольшое увеличение потребления энергии. Рост тока вреден для двигателей, поскольку они перегреваются. Кроме того, для выполнения той же работы двигателям приходится работать дольше: например, если холодильник работает с 35% коэффициентом использования мощности при номинальном напряжении, при более низком напряжении этот коэффициент может увеличиться до 40%. Перегрев и увеличенное время работы сокращают срок службы двигателей. Даже некоторые резистивные нагрузки дают лишь краткосрочный эффект. Феномен, известный как диверсификация нагрузки, играет роль в снижении напряжения и иногда может нивелировать его эффект. Концепцию диверсификации нагрузки легче всего объяснить на примере. В вашем районе маловероятно, что водонагреватели во всех домах будут включены одновременно. Особенно в часы, когда не используется горячая вода (утренний и вечерний душ), когда у вас включен водонагреватель, у вашего соседа он может быть выключен. Благодаря распределенному и несовпадающему характеру этих нагрузок суммарный пик может оставаться относительно постоянным. Однако, если напряжение снижается на всех резистивных элементах водонагревателей, они не смогут нагревать воду так быстро. Хотя немедленное снижение потребления энергии будет зафиксировано при начале снижения напряжения, со временем водонагревателям потребуется больше времени для достижения температуры воды, установленной термостатом. Таким образом, одновременно будет работать больше водонагревателей. Это приведет к значительному увеличению суммарного пика. Следовательно, в отношении резистивных нагрузок, управляемых термостатом, преимущества снижения напряжения могут быть недолговечными и иногда могут даже привести к увеличению суммарного спроса на нагрузку. И наоборот, увеличение напряжения может увеличить потребление энергии резистивными нагрузками. Опять же, резистивные нагрузки, управляемые термостатом, будут реагировать по-разному, но очевидно, что включение лампы накаливания при более высоком напряжении обойдется потребителю дороже, чем при более низком. Конечно, это предполагает, что потребитель доволен более тусклым светом, иначе он может заменить лампочки на более мощные, чтобы обеспечить достаточное освещение. В современном мире многие светильники, включая те, что с LED-лампами, имеют функцию диммирования. Поэтому при более низком напряжении диммер будет установлен на более высокую яркость, а при более высоком – на более низкую, в результате чего светильник будет генерировать то же количество люменов, и, следовательно, экономия энергии не будет достигнута. Хорошим сравнением методологии снижения напряжения для экономии энергии является сравнение с понижением давления воды для экономии воды. Стиральная машина должна будет заполняться до того же уровня, просто это займет больше времени; бачок унитаза заполнится до того же уровня и т.д. Независимо от давления, потребителю придется использовать все необходимое количество воды для достижения желаемого результата. В краткосрочной перспективе можно сэкономить, поскольку газон будет недостаточно поливаться, но в конечном итоге потребитель это заметит и отрегулирует клапаны, продолжительность полива или количество спринклеров, чтобы компенсировать более низкое давление.

Electric utilities have discovered that this basic principle can save utility companies, and their customers, a significant amount of money. Utilities are able to shave the peak of their power demand curves by reducing the voltage across their distribution system. When a utility reaches a point where power demand is expected to exceed supply, utilities only have two options. Either purchase power from another utility, usually at substantial prices, or reduce demand. Often utilities use load management systems to turn off customers' air conditioners, water heaters, and pool pumps to reduce demand. Voltage reduction has become another option for utilities to reduce demand—typically unbeknownst to the customer. However, only the resistive portion of the load responds to the reduction in voltage to reduce aggregate demand. Loads such as incandescent lights and heater coils will use less power as the voltage is lowered. On the other hand, induction motor loads are unaffected by the reduction in voltage, because the current simply rises to account for no change or even a slight increase in power consumption. Current rise is detrimental to motors, since they run hotter. Also, to accomplish the same work the motors have to run longer, for example, if a refrigerator is running at 35% duty cycle at nominal voltage, at lower voltage its duty cycle may increase to 40%. Running hotter and running longer shortens the service longevity of motors. Even some resistive loads provide only short term benefits. A phenomenon known as load diversity plays a role in voltage reduction and can counteract its effects on occasion. The concept of load diversity can most easily be explained with an example. In your neighborhood, it is unlikely that all of the homes' water heaters are on at the same time. Particularly during non hot water usage hours (morning and evening showers), when your hot water heater is on, your neighbor's may be off. Due to the distributed and noncoincident nature of these loads, the aggregate peak can remain relatively constant. However, if the voltage is reduced to all of the resistive elements in the water heaters, the elements will not be able to heat the water as quickly. While an immediate reduction in the power demand will be recognized upon initiating voltage reduction, over time water heaters will need to be on longer to achieve the thermostat set water temperature. Thus, more water heaters will be on at the same time. This will cause the aggregate peak to increase substantially. Therefore, with respect to thermostat controlled resistive loads, the benefits of voltage reduction can be short lived, and may occasionally end up increasing the aggregate load demand. Conversely increasing the voltage may increase power demand from the resistive loads. Again, the thermostat controlled resistive loads will react differently, but it is clear that it will cost a customer more to turn on that incandescent reading lamp with higher voltage than it would at a lower voltage. Of course this is assuming that the customer is satisfied with dimmer light, otherwise the customer can replace the light bulbs with ones of higher wattage to provide sufficient lighting. In today's modern world many light fixtures, including the ones with LED type bulbs, are dimmable. Therefore at lower voltage the dimmer will be turned up and at higher voltage it will be turned down, resulting in the same lumens being generated by the light fixture, hence no energy savings will take place. A good comparison of methodology of lowering the voltage to save energy is to draw a parallel with lowering the water pressure to save water. The washing machine will have to fill to the same level, it will just take longer; the toilet tank will fill to the same level, etc. Irrelevant of the pressure the customer will have to use all the necessary water to get the desirable results. There will be short term savings because the lawn will not get sufficiently watered, but the customer will eventually notice this and will adjust the valves, watering duration or the number of sprinkler heads to compensate for the lower pressure.