Symmetri er afgørende for synkronisering af strømnetværk

Et fælles forskerhold fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) og North Carolina State University har præciseret de grundlæggende principper for at opnå synkronisering af kraftgeneratorgrupper i kraftnet, hvilket er afgørende for en stabil forsyning af elektrisk strøm. Baseret på dette princip, teamet udviklede en metode til konstruktion af en aggregeret model af et strømnet, der effektivt kan analysere og kontrollere adfærden hos generatorgrupper (herunder rotorfasevinkler og forbindelsespunktspændinger) med kompleks forbindelse til et elnet.

Det er kendt, at synkroniseringsfænomenet for generatorgrupper, såsom ved flere termiske kraftværker, er tæt forbundet med den stabile forsyning af elektrisk strøm. Specifikt, hvis en generator ikke er synkroniseret, at generatoren og dens omgivende generatorer ikke vil være i stand til at fungere stabilt, og i værste tilfælde alvorlige ulykker som f.eks. strømafbrydelser kan forekomme.

Ud over, energiproblemer forårsaget af global opvarmning og udtømning af fossile brændstoffer er blevet mere alvorlige på global skala. Derfor, ud fra synspunktet om at reducere kuldioxid og systematisk brug af energi, der er blevet stillet store forventninger til vedvarende energi, såsom den, der er karakteriseret ved solcelleanlæg (PV). Når stort PV-generationsudstyr og strømopbevaringsudstyr introduceres, ud over energiproduktion som konventionelt brugt termisk effekt, hydraulisk kraft og atomkraft, det er nødvendigt at overveje strømopladning og afladning ved PV-genererede output- og lagringsbatterier for at opretholde ligevægt mellem udbud og efterspørgsel. Imidlertid, mængden af ​​strøm fra PV -produktionen svinger, da der er usikkerhed forbundet med ændringer i vejret og ændringer i solstrålingsvolumen i henhold til tidszonen. Dette gør det vanskeligere at opretholde synkroniseringen af ​​generatorgrupper. Behovet for at analysere synkronisering er større end nogensinde.

Med konventionel analyse, en større tilgang er baseret på numerisk simulering. Der er ingen undersøgelser, der teoretisk præciserer de grundlæggende principper for, hvordan generatorgrupper korrekt kan synkroniseres i henhold til netstrukturen for kraftoverførsel. Der er et presserende behov for at opbygge en ramme for strømforsyning og efterspørgsel, der effektivt udnytter strømopbevaringsudstyr for at muliggøre usikkerheden ved PV -produktion og forudsigelser om efterspørgsel.

Oversigt over forskningsresultater

Lektor Takayuki Ishizaki, Professor Jun-ichi Imura fra Tokyo Tech, og lektor Aranya Chakrabortty fra NSF ERC FREEDM System Center ved North Carolina State University arbejdede på flere undersøgelser, herunder modellering af strømnet, stabilitet analyse, og stabiliseringskontrol ud fra grafteoriens perspektiv. De har præciseret, at symmetrien i netværket i grafteorien er det grundlæggende princip for at realisere synkroniseringen af ​​generatorgrupper på termiske kraftværker integreret med strømnet (forbundet til et netværk).

Generatorenes adfærd forbundet via et netværk i et strømnet repræsenteres af komplekse ligninger (differentielle algebraiske ligninger), der kombinerer differentialligninger og algebraiske ligninger. Differentialligningerne udtrykker "adfærd af generatorer" afledt af Newtons anden bevægelseslov, og de algebraiske ligninger udtrykker "effektbalance ved netforbindelsespunkter" stammer fra Ohms lov og Kirchhoffs lov. Analyse af disse differentielle algebraiske ligninger blev generelt udført ved transformation til en matematisk ækvivalent differentialligning gennem en forenklingsmetode kaldet Kronreduktion. Imidlertid, da den algebraiske ligning, der repræsenterer elnettet, elimineres ved at slette den redundante variabel, der repræsenterer forbindelsespunktets spænding, det var ikke egnet til at analysere forholdet mellem elnettets netstruktur og generatorens adfærd.

For at løse dette problem skal du de analyserede netværksstrukturen for elnettet i de algebraiske ligninger ud fra symmetri synspunkt baseret på en forståelse af grafteori. Specifikt, ved at analysere generatorens adfærd uden at eliminere de algebraiske ligninger, de opdagede, at symmetrien i elnettet (figur 1) er det grundlæggende princip for at realisere synkronisering af generatorgrupper. Ud over, baseret på en ny idé om samtidig at integrere generatorgrupper, der viser synkron adfærd og det strømnet, der kobler disse, det blev muligt at matematisk og fysisk konstruere en gennemførlig aggregeret model (figur 2).

Det forventes, at denne præstation vil resultere i et grundlag for udvikling af analyse- og kontrolmetoder til realisering af stabil strømforsyning til store og komplekse elektriske energisystemer. I fremtiden, Professor Imura siger, at det sigter mod at udvikle mere komplekse elektriske energisystemer, herunder omformere, og at etablere en teori for at tilnærme synkroniseringen af ​​generatorgrupper.

Dette forskningsresultat blev offentliggjort i Procedurer for IEEE den 25. april, 2018.