Forskere udvikler teknologi til at styre to-vejs strømflow til kommercielle bygninger

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory demonstrerede for nylig en ny teknologi til bedre at kontrollere, hvordan strøm strømmer til og fra kommercielle bygninger udstyret med sol-, vind- eller anden vedvarende energiproduktion.

"Vi skaber et fremtidens elnet, der gør det muligt at anvende vedvarende energi på den mest effektive måde," sagde ORNLs Madhu Chinthavali, der leder forskningen. "Med denne nye netgrænsefladearkitektur kan operatører styre energistrømmene meget mere meningsfuldt, selv når elproduktionen er decentraliseret."

Vedvarende energi er nøglen til at hjælpe den amerikanske elsektor med at nå nationale dekarboniseringsmål. Men de tilføjer også usikkerhed til elnettet, fordi de er ujævnt tilgængelige over hele landet og genererer strøm med mellemrum. Udvikling og koordinering af kraftelektroniske systemer til lettere at inkorporere disse ressourcer er afgørende for at skabe et mere modstandsdygtigt net til pålidelig elektricitet.

Chinthavalis forskerhold designede en hybrid AC/DC strømelektronikhub til at fungere som gatekeeper mellem det større net og delsystemer, herunder vedvarende energi, generatorer og batterilagring. Teknologien blev udviklet og testet i Department of Energy's Grid Research Integration and Deployment Center, eller GRID-C, på ORNL.

GRID-C tilbyder en unik platform til at bygge kraftelektroniksystemer, startende med den mindste komponent, derefter test og demonstration af komplette systemer, der inkorporerer både hardware og simulering. I lavspændingslaboratoriet rummer rækker af metalbeholdere ORNL-udviklede kraftelektronikomformere, slæbende ledninger tykkere end et håndled og ender i stik så brede som en plade. Disse konvertere giver forskellige niveauer af strøm til elektriske kilder baseret på forskellige scenarier. De er parret med lige store strømemulatorer, der kan efterligne energi leveret af et solcellepanel eller et batterisystem. Kæmpe berøringsskærme giver ingeniører mulighed for at omarrangere systemet og justere dets drift.

ORNL-ingeniører designede kraftelektronikhubben til at kontrollere, hvordan omformerne interagerer med hinanden og nettet. Emulatorer er sat op til at efterligne det elektriske træk og generering af et solcellepanel, et akkumulatorbatteri, en nødgenerator og et kritisk datacenter med høj elektrisk efterspørgsel. Effektelektronikhubben blev programmeret til autonomt at styre strømstrømmen af ​​alle disse elektriske belastninger, hvilket hjælper med at forhindre udsving i udbud og efterspørgsel på det bredere elnet.

Effektelektronikhubben spiller rollen som mellemleder mellem det større elnet og den lokale effektelektronik. "I stedet for at værktøjet taler med f.eks. en million ressourcer, reducerer denne teknologi dette tal med en faktor 10," sagde ORNLs Michael Starke, ledende softwarearkitekt for projektet. "Fra et forsyningsselskabs synspunkt fungerer alt udstyr, der styres af kraftelektronikhubben som et enkelt system."

Dette er en fordel for elselskaber, der står over for at inkorporere distribueret og intermitterende energi fra sol-, vind-, geotermiske og andre vedvarende kilder i et århundrede gammelt net, der var designet til at skubbe konstante strømme af energi ud fra centraliserede kraftværker.

Lignende koncepter er blevet testet af nogle værktøjer, men disse tilgange bruger en enkelt leverandørs proprietære produkter på en foreskrevet måde, sagde Starke. Fordi ORNL har konstrueret de elektriske strømomformere og mange af komponenterne, er den resulterende teknologi åbent tilgængelig og kan tilpasses til at opnå specifikke mål.

For eksempel har eksperimenter fra Chinthavalis team vist, at kraftelektronikhubben kan prioritere at give de fleste omkostningsbesparelser til kundeejede systemer eller levere en ensartet strømforsyning til forsyningssystemer. ORNL-forskere viste, at disse mål kan integreres direkte i hardwaren og softwaren, og de har også udviklet den understøttende kommunikations- og kontrolinfrastruktur.

"Det starter med fortestning og præ-automatisering af systemer, der nemt kan skaleres op og implementeres hurtigt," sagde Chinthavali og tilføjede, at projektet har ført til tre patentansøgninger. "Vi forsøger at standardisere systemer, så de er interoperable." At gå ud over modellering til at demonstrere teknologien i kablet hardware var en milepæl, der kun var mulig på grund af ORNL's muligheder i GRID-C. "Dette er det eneste sted, hvor vi kunne udvikle både software og hardware for fuldt ud at forberede os på at implementere denne teknologi til industrien," sagde Chinthavali.

Flere industrier kunne se betydelige fordele. Teknologien kan bruges af en bygherre eller bygningsejer til at spare penge og energi, eller den kan installeres af et værktøj for forbedret strømstyring og pålidelighed. Holdet går videre til næste trin i forskningen:erstatning af kommercielle konvertere med højere effekt, der er sikret direkte fra industrien. Dette vil demonstrere, at kraftelektronikhubben kan håndtere de megawatt strøm, der håndteres af elselskaber ved hjælp af komponenter fra kommercielle leverandører.

ORNL-teamet, der udviklede kraftelektronik-hubben, inkluderer Steven Campbell, ledende arkitekt for systemintegration; Ben Dean, udvikler af kommunikationsgrænseflader; Jonathan Harter, hardware systems specialist; and Rafal Wojda, magnetic systems specialist.

"We're now working on how to extend these power electronics hubs from small scale to thousands working together, coordinating to deliver energy as needed from all sorts of different angles and different sources," Starke said. "We're trying to show that the power electronics hub can act like a battery almost, pushing power in and out under our control. That provides all kinds of flexibility to the grid that wasn't there before."

The power electronics hub is an example of the type of technology developed in GRID-C that could be deployed with a potential consortium of partners. ORNL held an interest meeting today with stakeholders from industry, utilities and research institutions to discuss power electronics challenges and strategies. Participants discussed a possible framework for an organization to accelerate development and deployment of power electronics systems for managing the electric grid of the future. + Udforsk yderligere

World's largest flow battery energy storage station connected to grid