Geboren in einer Flut: Die epische Geschichte der steuerbaren Netzschnittstelle

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NREL-Forscher feiern 10 Jahre der Replikation von Netzereignissen zur Stärkung erneuerbarer Energietechnologien

Im September 2013 stand ein Team von Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) unter der Leitung von Vahan Gevorgian und Robb Wallen vor einer drohenden Frist. Nicht nur das brandneue 5-Megawatt-Dynamometer muss betriebsbereit sein und als Testtechnologiekomponente an eine 2,75-MW-Windturbinengondel angeschlossen sein, aber der von der Gondel erzeugte Strom musste auch über die noch nie zuvor erprobte Controllable Grid Interface (CGI) und zurück dorthin geleitet werden das Gitter.

Als ob das nicht genug Druck wäre, a Rekordhochwasser traf die Gegend von Boulder, Colorado in der Nähe des heutigen Flatirons Campus des NREL, wo die Arbeit des Teams durchgeführt wurde.

„Es war episch. Die Frist war der letzte Tag unseres Geschäftsjahres 2013 und fiel mit einer 100-jährigen Überschwemmung zusammen“, sagte Gevorgian. „Wir haben hart gearbeitet und viele Nächte auf dem Campus verbracht, weil einige von uns wegen der Überschwemmung nicht einmal nach Hause konnten. Wir haben von Pizza überlebt.“

Erschwerend kam hinzu, dass Przemyslaw Koralewicz, der 2013 neben dem NREL-Team als Systemingenieur für ABB – einem NREL-Partner, der den Stromwandler des CGI baute – arbeitete, in einem Hotel in Louisville, Colorado, festsaß wurde überschwemmt. Infolgedessen nahm er aus der Ferne per Video-Chat auf Vahans Computer-Tablet am Rennen um die Deadline teil.

„Es war eine verrückte Zeit“, erinnert sich Wallen, der nicht davon überzeugt war, dass CGI funktionieren würde. „Aber wir hatten die gesamte Schleife am letzten Tag um 21 Uhr abgeschlossen, alle Meilensteine ​​erreicht und das CGI hat großartig funktioniert!“

Das 7-MW-CGI von NREL hat in den zehn Jahren seit seiner Inbetriebnahme ununterbrochen gearbeitet. Wallen schätzt, dass etwa 50 Projekte das CGI genutzt haben. Das vom Versorgungsnetz isolierte, maßgeschneiderte, steuerbare Forschungsnetz hilft Herstellern und Systembetreibern zu verstehen, wie erneuerbare Energiesysteme, zu denen Windkraftanlagen und Solarmodule sowie Energiespeicher-Wechselrichter gehören können, auf Netzstörungen wie Stromstöße oder Ausfälle reagieren, bevor sie auftreten werden eingesetzt.

„Der erste Hauptvorteil des CGI besteht darin, dass es jedes mögliche Szenario abdecken kann, das irgendetwas – ein kleiner Verteilerkreis, ein Mikronetz, ein Inselenergiesystem oder ein Großnetz – unter allen Netzbedingungen erleben könnte“, sagte Gevorgian.

Laut Gevorgian hat das CGI eine große Rolle dabei gespielt, das Netz zuverlässiger zu machen. Forscher, die zum NREL kamen, als das CGI bereits in Betrieb war, brachten neue Ideen für zusätzliche Fähigkeiten. Der Forscher Shahil Shah, der 2018 zum NREL kam, half bei der Entwicklung neuer Methoden für die Nutzung des CGI zur Bewertung Netzstabilität Auswirkungen durch wechselrichterbasierte Ressourcen wie Solaranlagen und Windkraftanlagen.

„Der zweite Hauptvorteil besteht darin, dass das CGI kontrollierte Netzbedingungen mit echter Ressourcenvariabilität in einem End-to-End-System verbindet“, fuhr Gevorgian fort. „Wenn wir einen Artikel testen, testen wir das Ganze. Es handelt sich um eine vollständige Windkraftanlage, die über Kabel und Transformatoren an das kontrollierte Netz mit allen Sensoren angeschlossen ist.“

Und diese Verbindungen werden alle in Echtzeit auf dem Flatirons Campus hergestellt. „Alles ist echt. Es wird, wenn überhaupt, nur sehr wenig simuliert“, sagte Gevorgian.

Das spart Zeit und Ressourcen, minimiert Integrationsprobleme, verbessert die Zuverlässigkeit und treibt die Entwicklung und den Einsatz erneuerbarer Energietechnologien voran.

„Mithilfe des CGI können unsere Partner Probleme in einer sehr realistischen Umgebung finden und NREL dann ein viel besseres, konformeres und zuverlässigeres Produkt verlassen“, sagte Wallen. „Wir kommen den erneuerbaren Energien wirklich zugute, indem wir dafür sorgen, dass die Dinge tun, was sie tun sollen.“

Jahre in der Entstehung

Zum Team hinter dem CGI gehörten Gevorgian, Wallen, Koralewicz und viele andere.

„Ich nenne Vahan den Vater des CGI“, sagte Koralewicz, der 2016 als Forscher zum NREL kam, um CGI-Experimente zu leiten, und seitdem anspruchsvollere CGI-Funktionen entwickelt. „Er hatte die Idee und bekam die Finanzierung. Robb hat das CGI implementiert. Und ich habe es bei ABB in Auftrag gegeben.“

Georgian verteilt den Kredit großzügiger.

„Dieses Baby hat viele Väter“, sagte er. „Das CGI wäre ohne eine Reihe anderer Leute nicht zustande gekommen, von denen einige nicht mehr bei NREL sind. Alle – vom NREL-Management bis zum US-Energieministerium – haben uns voll und ganz unterstützt.“

Die in den Jahren 2010–2011 konzipierte CGI-Idee wurde während eines Workshops mit großen Windenergieanbietern ins Leben gerufen, um festzulegen, was sie in einem solchen Forschungsapparat sehen wollten und was der US-amerikanischen Windenergieindustrie den größten Nutzen bringen würde.

„Das hat uns geholfen, die Eigenschaften des Geräts zu spezifizieren, aber während dieser Arbeit wurde uns auch klar: ‚Warum sollten wir uns auf Wind beschränken?‘ „Was wir bauen, könnte jedem Aspekt der erneuerbaren Energieerzeugung oder der dezentralen Energieerzeugung im Multimegawatt-Maßstab zugute kommen“, sagte Gevorgian. „Also erweiterte das Team den Anwendungsbereich und das war die Geburtsstunde des CGI.“

Nach Erhalt der Finanzierung durch die American Recovery and Reinvestment Act Wie aus anderen Quellen hervorgeht, arbeitete NREL mit ABB zusammen, die das CGI auf der Grundlage der NREL-Spezifikationen baute.

„Przemyslaw, der bei ABB war, hat dieses ‚andere Gehirn‘ auf einen Industrieantrieb geschrieben, der für große Schiffsantriebe und Bergbauanwendungen verwendet wurde“, sagte Wallen. „Das war ein wirklich guter Schritt, weil wir alle Sicherheits- und Schutzfunktionen dieses Antriebssystems nutzen konnten. Es in die Stromversorgung des CGI umzuwandeln, war ziemlich neu.“

Wallen sagte, als das Potenzial für andere Anwendungen – wie die Einführung eines Batteriespeichersystems zur Verbindung des CGI mit dem gesamten Flatirons Campus – klar wurde, bildete dies die Grundlage für NRELs Forschungsplattform Advanced Research on Integrated Energy Systems (ARIES)..

„Wir können ein Modell eines Inselstromnetzes auf einem digitalen Echtzeitsimulator ausführen, dieses mit dem CGI interagieren lassen und dann den Netzsimulator mit realen Anlagen auf unserem Standort interagieren lassen“, sagte Wallen. „Das CGI ermöglichte es NREL also, unsere Fähigkeiten zu erweitern und viele Industriepartner und viel Forschung anzuziehen.“

Aufstellung der Partner

Zusätzlich zu der von Büros des US-Energieministeriums finanzierten Forschung – beispielsweise solchen, die sich auf Windenergie, Wasserkraft, Solarenergie, Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien sowie Netzmodernisierung spezialisiert haben – unterstützte das CGI viele Industriepartner bei der Validierung ihrer Technologien für erneuerbare Energien. Darunter waren General Electric, SMA Energy Systems, AES Corporation und Caterpillar Inc.

Für das globale Energieunternehmen AES haben die Fähigkeiten des CGI dazu beigetragen, das Risiko der Implementierung neuer Technologien bei zwei seiner Projekte auf der hawaiianischen Insel Kauai zu verringern: dem Lāwai Solar- und Energiespeicherprojekt Und Mikronetz der Pacific Missile Range Facility der US-Marine.

„Ohne CGI könnten wir nicht so schnell lernen. Mit dem CGI können wir viele mögliche Netzereignisse durchgehen und sicherstellen, dass wir verstehen, wie sich unsere Anlagen so verhalten, dass sie das Netz unterstützen und die Bedürfnisse unserer Kunden erfüllen“, sagte Kelsey Horowitz, Senior Manager für Innovation Engineering bei AES. „Ohne den Einsatz des CGI wären wir einfach nicht in der Lage, Hardware-Tests all dieser unterschiedlichen Netzbedingungen durchzuführen.“

Eine Grid-Schnittstelle verdient eine andere

Die Popularität des CGI bei NREL, dem US-Energieministerium und Industriepartnern hat zu einem Forschungsengpass geführt. Dies ist einer der Gründe, warum NREL beschlossen hat, ein zweites CGI zu bauen – CGI2, eine 20-MW-Einheit, die das erste CGI ergänzen und es NREL ermöglichen wird, mehr Experimente zu unterstützen.

Ein weiterer Grund ist, mit dem Tempo der erneuerbaren Energietechnologie Schritt zu halten.

„Im Jahr 2013 stellte das CGI grundlegende Funktionen bereit. Es war ein Prototyp. Seitdem haben wir das CGI viele Male mit zusätzlichen Funktionen erweitert“, sagte Koralewicz. „CGI2 ist das Ergebnis dieser Entwicklung. Es beinhaltet viele gewonnene Erkenntnisse und verfügt über zusätzliche Funktionalitäten, die wir in den letzten 10 Jahren entwickelt haben.“

CGI2, das sich seit 2018 in der Entwicklung befindet, steht kurz vor seinem Forschungsdebüt.

„Im Moment bringt NREL Interessenvertreter zusammen und gibt ihnen die Möglichkeit, auf die Probe zu stellen“, sagte Wallen. „Dann gehen wir auf alle Bedenken ein und erklären die CGI2-Forschung für bereit.“

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Ursprünglich veröffentlicht am NREL-Website.