مهندسی انرژی که مهندسی سیستم های انرژی نیز نامیده می شود، زمینه فرعی مهندسی الکترونیک می باشد که با تولید، انتقال و توزیع توان الکتریکی (برق) ، مانند وسایل الکتریکی متصل به سیستم هایی شامل ژنوراتورها ، موتورها، ومبدل ها را سروکار دارد. گرچه قسمت اعظم این زمینه با مسائل برق AC-سه فازی – استاندارد برای انتقال و توزیع برق در سراسر دنیای مدرن- در ارتباط است- کسر عظیمی از این زمینه با تبدیل بین برق AC و DC و همچنین توسعه سیستم های توان (برق) اختصاصی استفاده شده در سفینه های فضایی یا برای شبکه راه آهن برقی در ارتباط است.

مهندسی انرژی شبکه ای

مهندسی انرژی شبکه ای از اجزای داخلی متصل بهم می باشد که فرم های مختلف انرژی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. مهندسی انرژی مدرن از سه زیر سیستم اصلی تشکیل شده است: سیستم فرعی (زیر سیستم  تولید) ، سیستم فرعی انتقال، و سیستم فرعی توزیع.

در سیستم تولید، نیروگاه برق، برق تولید می کند. سیستم فرعی انتقال، برق را به مرکز لود منتقل می کند. سیستم فرعی توزیع، در ادامه برق را به مصرف کننده منتقل می کند.

تولید توان الکتریکی

تولید توان الکتریکی فرآیندی است  که به وسیله آن انرژی به فرم الکتریکی تبدیل می شود. فرآیندهای انتقال متعددی وجود دارد که از جمله آنها شیمیایی، فتوولتاییک و الکتروشیمیایی می باشد. تبدیل انرژی الکتروشیمیایی در تبدیل انرژی از زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی ، اورانیوم، جریان آب، و باد به انرژی الکتریکی استفاده می شود. از این موارد، همگی به غیر از فرایند تبدیل انرژی بادی، فایده ژنراتور AC همزمان کوپل شده با بخار، گار یا هیدروتوربین هایی را ارائه می کنند طوری که توربین بخار، گاز یا جریان آب را به انرژی چرخشی تبدیل می کند و سپس ژنراتور همزمان ، انرژی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این یک فرایند تبدیل توربین-ژنراتور می باشد که تا کنون مقرون به صرفه ترین می باشد و در نتیجه در صنعت امروزه بسیار رایج می باشد.

هزینه کاربرد انرژی

هزینه کاربرد انرژی الکتریکی تولیدی به هزینه سوخت و بازده ایستگاههای برق تعیین شده است. بازده به سطح تولید بستگی دارد و می تواند از منحنی میزان گرما به دست آید. همچنین ما باید منحنی هزینه افزایشی را از منحنی میزان حرارت بدست آوریم. توزیع اقتصادی فرایند تخصیص تقاضای لود مورد نیاز بین واحدهای تولید در دسترس می باشد، طوری که هزینه کاربرد کمینه شده باشد.

الکتریسیته به مکانهای لود از یک ایستگاه برق به یک سیستم فرعی انتقال، انتقال یافته است. بنابراین، ممکن است ما سیستم انتقال ره به عنوان فراهم کننده محیط انتقال برای انرژی الکتریکی در نظر بگیریم. سیستم انتقال ممکن است به سیستم انتقال انبود و سیستم انتقال فرعی تقسیم شود. وظیفه انتقال انبوه ، اتصال ژنراتورها به نواحی پیوسته گوناگون شبکه و انتقال انرژی الکتریکی از ژنراتورها به مرکزهای لود عمده می باشد. این قسمت از سیستم “انبوه=bulk” نامیده می شود زیرا انرژی را تنها به  آنچه که لودهای انبوه نامیده شده است، تحویل می دهد مانند سیستم توزیع شهر، شهرستان، یا نیروگاه صنعتی بزرگ. وظیفه سیستم انتقال فرعی اتصال سیستم انبوه انرژی به سیستم توزیع می باشد.

سیستم انتقال

سیستم انتقال یک سیستم بسیار یکپارچه می باشد. که به عنوان تجهیزات فرعی و خطوط انتقال اشاره شده است. تجهیزات فرعی مبدلها، relayها، و قطع کننده هایمدار را شامل می شوند. ترانسفرمرها ، دستگاههای استاتیک مهمی هستند که انرژی الکتریکی را از یک مدار با یکی دیگر در سیستم فرعی انتقال، متنقل می کنند.

ترانسفورمرها

ترانسفورمرها استفاده شده اند تا ولتاژ را در خط انتقال افزایش دهندف تا افت توان را کاهش دهند که در راه  اتلاف شده است . یک relay در عمل یک آشکارساز-سطح می باشد. که زمانی که ولتاژ ورودی (یا جریان) به مقدار ویژه و قابل تعدیل میرسد یا از آن فراتر می رود، عمل تعویض را انجام می دهند. قطع کننده مدار یک سوئیچ الکتریکی خود-کار است که برای حفاظت یک مدار الکتریکی از آسیب ناشی از اضافه بار یا مدار کوتاه طراحی شده است.

یک تغییر در وضعیت هر جزء می تواند به طور چشمگیری عملکرد کل سیستم را تحت تاثیر قرار دهد.

سه دلیل ممکن برای محدودیتهای جریان توان به یک خط انتقال وجود دارد. این علل ، اضافه بار حرارتی، ناپایداری ولتاز، و ناپایداری زاویه روتور می باشد.

اضافه بار حرارتی

اضافه بار حرارتی به دلیل شار جریان اضافی در یک مدار ایجاد کننده حرارت اضافی می باشد. ناپایداری ولتاژ ، گفته می شود زمانی اتفاق می افتد که توان مورد نیاز برای اینکه ولتاژ ، در یا بالای سطح مورد قبول حفظ شود، از توان در دسترس فراتر رود.

ناپایداری زاویه روتور یک lsئله دینامیک است که ممکن است خسارات مربوطه اتفاق بیفتد، مانند مدار کوتاه در یک سیستم انتقال. همچنین ممکن است دهها ثانیه بعد از یک نقص به دلیل پاسخ نوسانی رطوبت ضعیف یا نامرطوب حرکت روتور اتفاق بیفتد.

سیستم توزیع

سیستم توزیع، برق را از سیستم انتقال به مصرف کننده منتقل می کند. سیستم های توزیع  نوعا شعاعی هستند زیرا سیستم های شبکه ای بسیار گران هستند. تجهیزات مربوط به سیستم توزیع، شعبه های مبدل متصل به سیستم های انتقال، خطوط توزیع از مبدل ها به مصرف کننده و تجهیزات حفاظت و پشتیبانی بین مبدل و مصرف کننده را شامل lی شوند. تجهیزات محافظ های رعد و برق، قطع کننده های مدار، قطع کننده ها و فیوزها را شامل می شود. تجهیزات کنترل تنظیم کننده های ولتاژ ، خازن ها، و تجهیزات مدیریت طرف تقاضا را شامل می شوند.