Fordele ved netdannende invertere anvendt på solcelleanlæg

Toshiba Corporation har demonstreret effektiviteten af ​​sin grid-forming (GFM) inverter, som blev udviklet til at sikre stabiliteten af ​​mikrogrids. Et mikronet er en form for distribueret energisystem, der muliggør regional selvforsyning med elektrisk strøm gennem brug af vedvarende energi i stedet for at være afhængig af strømforsyning fra store kraftværker. Når der er et pludseligt udsving i output af eller efterspørgsel efter elektrisk strøm, kan en normalt stabil frekvens svinge drastisk, muligvis udløse et beskyttelsesrelæ og afbryde strømforsyningen, hvilket fører til strømafbrydelser. Især når andelen af ​​vedvarende energi stiger, stiger udsving i netfrekvensen. Især vil frekvensudsving stige med øget andel af vedvarende energi, så den udbredte brug af mikronet vil kræve teknologier til at opretholde en stabil netfrekvens.

I marts 2022 udviklede Toshiba en GFM-inverter, der kan opretholde netfrekvensen i distributionssystemer ved at give pseudo-inerti gennem strømudgang fra inverteren, når netfrekvensen svinger hurtigt. Virksomheden har nu verificeret resultaterne af at bruge GFM-invertere i omgivelser, der ligner virkelige miljøer, inklusive den faktiske brug af vedvarende energi, og har vist, at montering af GFM-invertere på solcellegeneratorer undertrykker fald i netfrekvensen med ca. 30 %.

Toshiba planlægger at præsentere detaljer om disse resultater på den årlige konference for Power and Energy Society for Institute of Electrical Engineers of Japan i september 2022 og på 2022 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE2022) i oktober 2022.

Toshiba bestilte denne forskning under "Smart Synchronous Inverter (SSI) og dens kontrolsystemer baseret på virtuel synkronisering med strømforsyninger for at udnytte strøm fra flere vedvarende energikilder" som en del af Miljøministeriets finanspolitiske 2019-2021 Projekt for Low Carbon Technology Forskning, udvikling og demonstrationsprogram. Dette arbejde blev udført i samarbejde med Pacific Power Co., Ltd., Energy &Environment Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology og Pacific Consultants Co., Ltd.

Udviklingsbaggrund

I oktober 2020 erklærede den japanske regering målet om at opnå CO2-neutralitet inden 2050, og med det formål at realisere et dekarboniseret samfund, fremmer den brugen af ​​solenergi, vindkraft og andre former for vedvarende energi som hovedkraftkilder. Den sjette strategiske energiplan, godkendt af regeringen den 22. oktober 2021, siger, at "for at udnytte distribuerede energiressourcer såsom vedvarende energi og kraftvarme i lokalsamfund, håber vi at se skabelsen af ​​mikronet og anden selvforsynende og distribueret energi systemer, som også vil bidrage til effektiv energianvendelse gennem lokal produktion til lokalt forbrug, styrke modstandskraften osv.," hvilket indikerer voksende forventninger til mikronet (Figur 1), der kan levere strøm selvforsyning ved udfald på grund af katastrofer.

I udlandet har der ud over at løse miljøproblemer været adskillige projekter i asiatiske og afrikanske lande for at bygge mikronet ved hjælp af vedvarende energi og lagringsbatterier, der vil levere elektricitet til områder, hvor elektriske elnet er uudviklede (områder uden for nettet). Fra 2015 oversteg den verdensomspændende mikronetkapacitet 12.000 megawatt, og yderligere udvidelse forventes i fremtiden.

I et konventionelt bulkkraftsystem, selv i tilfælde af udsving i efterspørgslen eller produktionen af ​​vedvarende energi, undertrykker inertien (egenskaben, der forsøger at opretholde en tilstand) af roterende legemer, såsom turbiner, der bruges til termisk energiproduktion, hurtige ændringer i systemets frekvens, dermed opretholde en stabil strømforsyning. Men hvis vedvarende energi bliver hovedstrømkilden i fremtiden, og der er et reduceret forhold mellem strømkilder såsom termisk elproduktion, der bruger store turbiner, så vil der være mindre inertikraft fra roterende legemer, hvilket kan påvirke stabiliteten af ​​elektriske Strømforsyning. Estimerede omkostninger til foranstaltninger til at håndtere en sådan mangel på inerti varierer fra 5,1 til 12,9 milliarder yen om året, hvis forholdet mellem vedvarende energi i bulkkraftsystemet bliver 50 %-60 %.

Sol- og vindkraft antages at være de vigtigste energikilder i mikronet, som er småskala energisystemer sammenlignet med bulkkraftsystemer. Mængden af ​​genereret strøm svinger afhængigt af vejret, og der er ingen forbindelse til termiske kraftværker, der bruger store møller. Som et resultat vil strømforsyningens ustabilitet på grund af manglende inerti være endnu mere udtalt. For at sikre mikronetstabilitet vil det derfor være essentielt at udvikle teknologier til at kompensere for manglende inerti og stabilisere strømforsyninger og at demonstrere disse teknologier og tage dem i brug så hurtigt som muligt.

Teknologiens funktioner

Toshiba udviklede en prototype GFM-inverter, der giver syntetisk inerti og undertrykker udsvingene i netfrekvensen i distributionssystemer, selv når udsving i strømforsyningen eller strømbehovet forekommer (Figur 2) og demonstrerede dens effektivitet. Toshiba har implementeret en styringsalgoritme for GFM-inverteren i batterienergilagringssystemer i stedet for konventionel styringsalgoritme uden inerti, og når der er hurtige udsving i produktionen af ​​vedvarende energi eller strømbehov, udsender inverteren strøm og genererer en syntetisk inerti for at opretholde nettet frekvens. Dette undertrykker øjeblikkeligt pludselige fald i frekvensen, hvilket giver en stabil strømforsyning.

Toshiba havde også udført en verifikation af denne inverter implementeret i et simuleret mikronet. Det simulerede mikronet antog netfrekvensen på 50 Hz (netfrekvensen, der bruges i det østlige Japan) og en 40 % vedvarende energirate, der kombinerer fem batterienergilagringssystemer (20 kW rating, 14,9 kWh batterikapacitet) udstyret med GFM-invertere, en diesel synkron generator (125 kVA rating) med en forbrændingsmotor og to belastningsbanker, der bruges til at variere effektbelastningen. I denne verifikation blev det påvist, at under belastningsudsving på 50 kW blev netfrekvensreduktioner undertrykt med 70 %, fra 2,4 Hz (50,0 til 47,6 Hz) til 0,6 Hz (50,0 Hz til 49,4 Hz). Frekvenstærsklen for strømforsyningsafbrydelser på grund af netfrekvensudsving i det østlige Japan er sat til 48,5 Hz, og verifikationer ved hjælp af faktisk udstyr sikrede, at frekvensen ikke faldt under denne tærskel, hvilket demonstrerer realiseringen af ​​en stabil strømforsyning, der undgår strømafbrydelser. Dette er verdens første demonstration af paralleldrift af en diesel synkron generator og inverter.

For at verificere virkningerne af GFM-inverteren i en tilstand, der ligner de virkelige forhold, udførte Toshiba en verifikationstest med kun et solcelle-fotovoltaisk energisystem (20 kW rating) og en diesel synkron generator (125 kVA rating) udstyret med en GFM inverter , i stedet for at bruge batterienergilagringssystemerne udstyret med en GFM-inverter. I denne verifikation blev det påvist, at faldet i netfrekvensen blev undertrykt med cirka 30 %, fra 1 Hz (50,0 til 49,0 Hz) til 0,7 Hz (50,0 til 49,3 Hz), når belastningsudsvinget var 20 kW (Figur 3). I konfigurationen kombineret med energilagringssystemerne verificerede vi også effekten af ​​at undertrykke faldet i netfrekvensen med 70 %, fra 2,2 Hz (50,1 til 47,9 Hz) til 0,6 Hz (50,2 til 49,6 Hz), både ved afladning af batterier og når de genoplades (Figur 4). Dette forventes at bidrage til nettets stabilitet ved opladning af elbiler. Toshiba bekræftede også, at øjeblikkelig belastning på GFM-inverteren kan reduceres med 30 %, fra 22 til 16 kW, ved at vælge en inerti, der er egnet til paralleldrift af synkrone generatorer med forbrændingsmotorer, som dem, der forventes at blive brugt i et mikronet (figur 5).

For at realisere et dekarboniseret samfund inden 2050 har den japanske regering formuleret sin "Regional Decarbonization Roadmap" for udvikling af foranstaltninger gennem samarbejde og samskabelse mellem de nationale og lokale regeringer og har indikeret en politik for "realisering af dekarboniserede, robuste og levende samfund over hele landet uden at vente på 2050." Med det formål at bruge GFM-inverteren udviklet til mikronet, vil Toshiba fortsætte med at engagere sig i forskning, udvikling og demonstrationer til tidlig kommercialisering. + Udforsk yderligere

Simulering af netdannende inverteres rolle i fremtidens elnet