电网上没用掉的⚡️,最后都跑到哪儿去了?

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toumingchong - 80后IT 非地球人

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这个问题其实困扰普通人很久了,大部分回答都是对的,但是对于没有电气知识的人来说,我觉得依然无法理解——这就是本问题的矛盾之处:对于电气专业的同学来说不需要解释,但对于没学过电气的同学而言,这就隔行了,问题变得很抽象。

以下我用一个相对精准的例子来帮大家理解“电力系统供需动态平衡”问题,非专业的同学看完之后可以明白是个什么道理,专业的同学也能进一步加深理解(同时还能追溯一下电力系统里面一些专业名词的词源问题)。

假想如下场景:

假设有一个动力有限可调的大卡车,大卡车的动力我们将其描述为——“出力”。
卡车一旦稳定运行,始终以轮胎 50 转 / 秒的速度匀速前行,对于这个转速,我们将其描述为——“频率”。
卡车的乘客是一只只随机跳上车和跳下车的蚂蚁,对于这些随机乘客,我们将其描述为——“负载”。

适当拓展延伸一下:

如果卡车停下来不动了,我们将其描述为——“停机”。
如果卡车没有停下来,仍以 50 转 / 秒速度前行,但是一只蚂蚁乘客也没有,我们将其描述为——“空载运行”。
如果卡车以低于 50 转 / 秒的速度前行,我们将其描述为“低频”,反之则为“高频”。

基于上面的情景之下,再给出一个合理性解释:

即:为什么卡车要以 50 转 / 秒的速度向前行驶?

——这是由负载(即蚂蚁)决定的,如果速度太慢,蚂蚁会心慌,如果速度太快,蚂蚁会呼吸困难,只有老老实实维持在 50 转 / 秒对应的前进速度,这些蚂蚁们才会觉得浑身舒坦。蚂蚁这样的特点,我们称之为“工况”。

铺垫工作做完了,现在进入解释环节:

当卡车以 50 转 / 秒的速度空载运行时,上了第一只蚂蚁,它上去之后,卡车的前进速度变为对应轮胎转速 49.99999999999……转 / 秒,这虽然是数学意义上偏离,但是很可惜,蚂蚁并没有明显的心慌,因为这影响小到连它自己都无法察觉,所以它没有表示抗议,车子继续前行。
然后上了第二只、第三只……此时前进速度在一点点的变慢,等上了 1 万只蚂蚁的时候,车轮频率已经变为 49.99 转 / 秒了,可是蚂蚁们依然没有察觉到,当累积上了 10 万只蚂蚁时,车轮频率变为 49.5 转 / 秒,这时蚂蚁们察觉到心慌并向司机抗议。
司机开始给出力,让轮胎转速提升了一点点,蚂蚁们心慌消失,又开开心心的乘车。
过了一会,下车的蚂蚁逐渐比上车的多,负载越来越小,而卡车出力保持不变,下的蚂蚁较少时,蚂蚁们并未察觉到明显的呼吸困难,而下车蚂蚁越来越多,卡车速度提升为 50.5 转 / 秒时,此时蚂蚁们察觉到了,因此又发出了抗议。
司机开始降出力,让速度再一次回到了 50 转 / 秒,此时蚂蚁们又恢复了情绪。
在这个不断更新的动态过程中,司机发明了一个监测轮胎转速的仪器,当频率降低时自己给点出力,当频率增加时自己降出力,这样一来就不同等蚂蚁提醒了。
以上整个过程,就是电力系统动态平衡过程。

再延伸解释一点:

由于卡车出力总是有上限,当动力给到顶而蚂蚁依然再增加时,轮胎速度只会越来越慢,维持这种趋势只会让整车蚂蚁都变得心慌,这种情况我们将其描述为——“过负荷”。
这时候司机会大喊:下去一点,轮胎越转越慢了,拉不动了拉不动了,然后一铲子弄下去了好多蚂蚁,这种情况我们将其描述为——“低频减载”。
车开的时候总有意外,有时候突然来了一阵龙卷风,把半车蚂蚁全部吹走了,由于卡车出力保持不变,速度一下子升到了 55 转 / 秒,是司机立即把两个发动机中的一个给立即关停,这种情况我们将其描述为——“高周切机”

以上解释中:

卡车动力对应发电机的出力,随机上下车的蚂蚁对应用电负荷,50 转 / 秒对应电力系统频率 50Hz。

最后回归原问题:

电网上没用掉的(“多余的”)电去哪里了?

——所谓没用掉的电只能以机械能的形式存在于发电机轴当中,令发电机的转速增加,造成频率升高。

同理,“不够”的情况又如何呢?

——发电机中储存的机械能转化为电能,令其转速降低,造成频率下降。

简而言之:电网上没用掉的电,转化为了发电机的机械能,表现形式就是整个电力系统的频率提升。

PS1:电力系统通过调节原动机出力,维持整个供应过程中的动态平衡,而非绝对平衡。

PS2:没给上面结论,只说供需动态平衡的同学,电力系统分析应该是认真学了,但电机学肯定是没学好(逃)

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