Wenn Sie im National Renewable Energy Laboratory (NREL) zwischen Solaranlagen und Stromnetzgeräten stehen, hören Sie vielleicht von irgendwoher eine schwache, verzerrte Melodie summen. Sie halluzinieren nicht – diese graue Kiste singt wirklich das Star Wars-Thema oder das Eiswagenlied oder Chopins Walzer in a-Moll. Energiesystemingenieure haben einfach Spaß mit einer NREL-Fähigkeit, die Stabilitätsprobleme im Stromnetz verhindert.
Normalerweise schicken die Ingenieure eine andere Art von Wellenform durch die Wechselrichter und Lastbänke: Megawatt Leistung und Spannungsschwingungen bei vielen Frequenzen. Der Zweck ihrer Forschung ist es, zu sehen, wie Energiegeräte und das Netz interagieren – um sie „in Einklang“ zu bringen und gefährliche elektrische Schwingungen zu verhindern, die sich wie kreischende Rückkopplungen oder dröhnende Subbässe zeigen.
Die Ingenieure können diese Analyse mit hoher Genauigkeit mit NREL-Hardware durchführen, indem sie die fortschrittlichen Labors verwenden Impedanzmesssystemund sie haben auch eine im Handel erhältliche Software namens Grid Impedance Scan Tool oder produziert KERN die dasselbe mit simulierten Power-on-Device-Modellen tun können, sodass jeder Hersteller oder Netzbetreiber die Netzstabilität mit erneuerbaren Energiequellen zertifizieren kann.
„Diese einzigartigen Fähigkeiten können Windkraftanlagen, PV-Wechselrichter und all diese neuen Geräte bei unterschiedlichen Frequenzen anregen, um zu verstehen, ob sie mit dem Netz vereinbar sind oder es zu Störungen kommen wird“, sagte Shahil Shah, Projektleiter und Entwickler von GIST.
Stabilität in G-Dur
Wie Musik besteht Elektrizität aus Wellen, die interagieren, um Harmonien und Verzerrungen zu erzeugen. Während Musik etwa 10 Oktaven umfasst, werden 20 Oktaven von elektrischen Energiesystemen mit Geräten wie Windenergie- und Solarkraftwerken verwendet. Dies lässt viel Raum für Signale, sich zu überlagern, zu schwingen und zu verstärken, was gelegentlich bei elektrischen Systemen vorkommt und anscheinend häufiger vorkommt, wenn sich drehende Generatoren durch Leistungselektronik wie Wind- und Solarwechselrichter ersetzt werden. Wenn Schurkenschwingungen auftreten, können sie Komponenten beschädigen oder vollständige Ausfälle des Stromversorgungssystems verursachen.
Der Frequenzbereich von Netzkomponenten erstreckt sich weit über die nominelle Betriebsfrequenz von 50 oder 60 Hz hinaus. Wenn Grid-Steuerungen und -Komponenten außerhalb ihres erwarteten Bereichs oszillieren, können schwerwiegende Stabilitätsprobleme auftreten. Bild von Taylor Henry, NREL
„Sonne und Wind erzeugen viele Schwingungen, genau wie mechanische Strukturen, aber wir sehen sie nicht. Dies kann zu störendem Verhalten führen, und es ist weltweit in Energiesystemen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien passiert“, sagte Shah.
Die Stabilität ist schwierig, da sich die Netzdesigns von einem System zum nächsten unterscheiden, sodass das Hinzufügen einer neuen Windenergie- oder Solaranlage so ist, als würde man einen neuen Musiker in eine Live-Gruppe aufnehmen, ohne ihm Noten zur Verfügung zu stellen – sie könnten egal sein wie geschickt.
Für Industriepartner bietet NREL genau diese Möglichkeit: ein Gerät in seine wahre Grid-Umgebung zu platzieren und zu sehen, wie es „klingt“. Die Hochleistungsinfrastruktur von NREL kann jedes Stromnetz für Partnertechnologien emulieren und die Reaktion der Technologie genau messen.
„Wir entwickeln Werkzeuge, mit denen wir schnell zwischen Frequenzen wechseln können, die wir in das Netz einspeisen“, sagte Przemek Koralewicz, Mitentwickler von GIST. „Und um Musik zu erzeugen, verwenden wir genau die gleichen Tools.“
Wie die singenden Wechselrichter werden die Solarmodule, Windturbinen oder Batterien eines Partners mit den Frequenzen des Netzes arbeiten. In dieser Megawatt-Symphonie können Ingenieure erkennen und korrigieren, wo das System gefährlich vibriert.
Da immer mehr Netzbetreiber auf vorläufige Stabilitätsbewertungen für neue Geräteanschlüsse bestehen, werden Demonstrationen der realen Leistung immer wichtiger. Aber nicht jeder Netzbetreiber oder Gerätehersteller kann einen Besuch abstatten NRELs fortschrittliche Forschungsumgebung für Energiesysteme zur Validierung ihrer Verbindung. Eine Alternative könnte darin bestehen, die Systeme zu modellieren, aber solche High-Fidelity-Modelle sind im Allgemeinen nicht in einem offenen, transparenten Format verfügbar – weder für Geräte noch für das Netz.
Stattdessen erfanden NREL-Ingenieure einen Workaround, um die Stabilität mit nichts anderem als Desktop-Software und allgemein verfügbaren Black-Box-Modellen zu überprüfen, die kein geistiges Eigentum von Wind- und PV-Anbietern offenlegen.
Software zur einfachen Überprüfung der Netzstabilität
Die GIST-Software von NREL zeigt, dass detaillierte Gerätemodelle eigentlich nicht benötigt werden; Die Black-Box-Variante wird gut funktionieren. GIST misst nur die kombinierte Stabilität von interagierenden Geräten, und dafür ist jedes Modell geeignet, das das Geräteverhalten an seinen Terminals erfasst. Diese Flexibilität ermöglicht es Benutzern, eine weitaus größere Auswahl an Geräten zu testen und alle Hindernisse für Stabilitätsbewertungen zu überwinden.
Da die Netzstabilität ein kollektives Ergebnis ist – eine Harmonie von Geräten und Netz – muss sie an den Kreuzungen bewertet werden, an denen sich beide treffen. GIST tut dies, indem es eine Schnittstelle zwischen Geräte- und Netzmodellen herstellt: Geräte auf der einen Seite, elektrisches Netz auf der anderen Seite. Die Software injiziert dann das kombinierte Modell mit Frequenzen, um zu sehen, wie das System reagiert. Dies wird als Impedanzscan bezeichnet.
Das Grid Impedance Scan Tool (GIST) befindet sich zwischen Gerätemodellen und dem Netz und ermöglicht es Benutzern, die Frequenzdynamik zu scannen und festzustellen, wo unerwünschte Stabilitätsprobleme auftreten könnten.
Ein GIST-Scan kann je nach Anlagengröße und Anzahl der leistungselektronischen Geräte zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden dauern und mehrere Geräte parallel auswerten. In der Praxis würde ein Benutzer an einer Vielzahl von Punkten im gesamten Netzwerk scannen, um einen vollständigen Überblick über die dynamische Stabilität zu erhalten. Derzeit ist GIST lizenzpflichtig und wird in mehreren Forschungspartnerschaften eingesetzt.
Die Software ist besonders nützlich für die Validierung von netzbildenden Steuerungen, die es erneuerbaren Energiequellen ermöglichen, auf die gleiche Weise Stabilität zu bieten, wie dies traditionell bei sich drehenden Generatoren der Fall ist. Das Finden der richtigen Mischung aus netzbildenden und netzfolgenden Geräten wird Energieversorger und Netzbetreiber bald überall beschäftigen, und GIST kann dabei helfen, festzustellen, ob eine bestimmte Mischung wirklich stabil ist. GIST wird auch die weitreichende Zusammenarbeit von NREL ergänzen, um gitterbildende Steuerungen über das zu entwickeln UNIFI-Konsortium durch die Bereitstellung eines Tools für Forscher zur schnellen Bewertung neuer Technologien und Systemarchitekturen.
Beteiligen Sie sich an der Netzstabilitätsforschung
Die Wechselrichter von NREL scheinen ihre eigene Melodie zu singen, aber es ist wirklich die Melodie der breiten Netzstabilität. Während denkwürdige Songs durch die Leistungselektronik des Labors schwingen, werden die Besucher daran erinnert, dass die Netzfrequenz auch harmonisch oder hart, disharmonisch oder sanft sein kann. Um sicherzustellen, dass erneuerbare Energien ein reibungsloses Crescendo in Stromversorgungssystemen haben, können Partner auf NREL-Test- und Softwaretools zurückgreifen.
Ursprünglich erschienen am NREL-Website.
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