电力科普:电是什么物质形态,电网是怎么保持平衡的?

一、电是什么物质形态?

关于“电”,早在远古时代人类就已经观察到摩擦生电的现象,后来逐渐认识电有正、负两种,同种相斥、异种相吸。原子都由带正电的原子核和带负电的电子组成。正常情况下,原子中正负电量相等,物体就呈中性。而当由于摩擦等原因而失去一部分电子时,就带正电。反之,物体获得额外电子时就带负电,电荷的定向流动形成了电流。电虽然也是一种物质现象,但在微观世界里,它既不是气态也不是液态或固态。

电力科普:电是什么物质形态,电网是怎么保持平衡的?

二、电为什么不能直接存储?

在宏观世界,一个物质要直接存储,必须是固态或者液态或者气态等常态,电是一种物质现象,既不是气态也不是液态或固态,所以是无法直接存储。在已知科技范围内,既不是气态也不是液态或固态的物质,几乎是不能直接存储的,比如光、火。有科学家做过一个存储光的实验,在一个内部都是反面镜的球体内放一束光,光就会在球体内一直反射,从而“存储”了光,但是也是理论上可行。

随着科学技术的进步和观测领域的延伸,物质的形态也早已突破经典物理学的框框。例如,人们发现电离的气体具有与普通气体很不相同的运动形态,故称之为等离子体;又如液态氦出现了无粘滞性的流体状态,称之为超流性。这些都不能用物质三态来归纳的物质,有人就把它叫做物质的第四态、第五态……而随着研究领域拓展到各种基本粒子构成的微观世界以及数以亿万光年计的宇宙空间时,旧时的物质形态区分和牛顿力学就愈来愈显示出其局限性,量子力学和相对论也就应运而生。扯得有点远了,结论是:电不能直接存储。或许以后科技发达到发现新的物质形态,可以将电直接存储起来。

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等离子球

三、电为什么是转瞬即逝的?

有人就提出疑问,电不是一直存在吗,家里打开开关,电立马就有了,如果不是一直存在,那为什么以打开开关就有了电?现在电网发达,供电才能够一直有保障,在电厂生成电以后就立马输送到电网上,加上本地电网有储能,在电厂没有发电时也能供电,所以造成了一直有电的现象。电是一个物质现象,既不是气态也不是液态或固态,是无法直接存储的,所以电是转瞬即逝的。

从能量方面讲,电是一种能源,电同时伴有电压、电阻、电流、电场、磁场,有电阻的存在,就会一直消耗能量,通过磁场也可以转成其他能量(也包括电能),如果想要电一直保存,就要去掉这两样,这两样东西就是电本身自有,无法去除。电也是无形的能源,不像化学能,有具体的形态,比如煤炭的固态,石油的液态,天然气的气态,因此电无法形成物质的常态,犹如烟花一样转瞬即逝。

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四、电网如何保持平衡的?

电是不能直接存储的,电厂发电后要输送到电网,那电网知道用户的需要多少电,电厂需要发多少电?这是一个很复杂的问题,关于电网平衡是电力系统的第一核心控制问题,这里就很简单介绍一下。

1.调频

全世界电网的频率都是50/60Hz,我们国家用的是50Hz的频率,发电侧、输电侧、配电侧、用电侧都统一50Hz,这样电网只要维持发电侧50Hz的频率,可以保证电网的平衡,说起来很容易,做起来实际上的非常复杂的过程。

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当发电侧输出功率小于用电侧的有功负荷时,即供小于求时,则各个电厂发电机组频率下降,低频率运行时,危害体现在以下几方面:1.发电设备损坏,例如汽轮机叶片振动加大,汽轮机的低压叶片可能发生共振,致使叶片很快产生裂纹,甚至发生叶片断落事故;2.影响产量,电动机处于低频率运行,功率远不及额定功率高,其他动力设备亦是如此;3.降低产品质量。例如:频率下降时,会引起电动机转速下降,废品率上升,如:纸张厚薄不匀、棉纱粗细不匀、平板玻璃厚薄不匀等等一系列危害,甚至引发电网崩塌事故。

当发电侧输出功率大于用电侧的负荷(包括厂用电负荷及线路损失负荷)时,即供大于求时,电网就会发生高频率运行。高频率运行对电力系统及用户同样会产生重大危害,特别是在安全方面更为严重。当电网高频率运行时,发电机、电动机和所有旋转设备转速均增加,功率增加,设备往往会因超过原设计的机械应力而遭到损坏。高频率运行也会使发电厂自动化设备误动作,影响通信、电视、广播的工作质量。当频率超过额定值很大时,汽轮机可能会由于危及保安器动作而使机组突然甩负荷运行。

说了这么多频率的重要性,那是怎么保证频率保持的,简单来说就是发电侧的一次调频和二次调频,还有无形存在的三次调频。发电、用电类似于天平的两端,电力调度机构就是使用各种手段使天平两边保持时刻平衡。当前主要手段是调整发电机组出力跟随用电负荷的变化。

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一次调频和二次调频是保障电网平衡的最基本的策略。打个比喻,夏天电风扇的使用,一次调频就是自身根据档位去调整风速,二次调频就是手动控制档位。

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具体来讲,一次调频,是指电网的频率一旦偏离额定值时,电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减,限制电网频率变化,使电网频率维持稳定的自动控制过程。其就地控制,响应速度快,特别是在新型电力电子设备参与后,响应时间更加缩短。

二次调频,我们俗称机组的自动发电控制(AGC),它可以根据电网的发用电情况,实时控制位于各个区域的发电机组,使它们及时服从电力调度机构的指挥。

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2.调峰

如果电力供不应求,也就是电不够用的例如去年辽宁缺电的事,这时候就可以利用调节用户侧负荷的手段,俗称调峰。引导用户改变其用能方式,比如在高峰少用电、低谷多用电。关于调峰,在电力部门存在多种方式,例如调度部门调节的侧重点在负荷量大,响应快的大用户,以实现快速切除负荷,保障电网安全。营销部门侧重在侧用户内部分支负荷,数量大,类型多,不仅要考虑电网安全还要考虑用户体验、能效提升,甚至可以给用户带来一定的收益,有需求响应、有序用电、负荷控制等手段。

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3.储能

如果调频和调峰,还是不能满足电网的供电需求,那还可以在电力充足的时候,把电能转化成其他能量存储起来,在电网需要的时候再此转成电能,保证电网稳定供应。根据存储能量形式和转换方式的不同,可分为四大类,即电化学储能、机械储能、电磁储能和相变储能。常见的例如三峡蓄水电站就是机械储能的一种,比亚迪电动汽车中常用的三元锂电池、磷酸铁锂电池等都是电化学储能。

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抽水蓄能电站

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