Teoria graficelor contribuie la alimentarea cu energie stabilă în cadrul sistemelor electrice mari și complexe

O echipă comună de cercetare de la Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) și North Carolina State University a clarificat principiile fundamentale pentru realizarea sincronizării grupurilor de generatoare de energie [1] în rețelele de alimentare, care este esențială pentru o alimentare stabilă de energie electrică. Pe baza acestui principiu, echipa a dezvoltat o metodă pentru construirea unui model agregat al unei rețele de alimentare care poate analiza și controla în mod eficient comportamentul grupurilor de generator (inclusiv unghiurile de fază ale rotorului și tensiunile punctului de conexiune) cu conexiune complexă la o rețea de alimentare.

pentru

Se știe că fenomenul de sincronizare a grupurilor de generatoare, cum ar fi la mai multe centrale termice, este strâns legat de furnizarea stabilă de energie electrică. Mai exact, dacă un generator nu se sincronizează, acel generator și generatoarele sale înconjurătoare nu vor putea funcționa stabil și, în cele mai grave cazuri, pot apărea accidente grave, cum ar fi întreruperile de curent.

În plus, problemele energetice cauzate de încălzirea globală și epuizarea combustibililor fosili au devenit mai grave la scară globală. Prin urmare, din punctul de vedere al reducerii dioxidului de carbon și a utilizării sistematice a energiei, s-au pus așteptări mari în ceea ce privește energia regenerabilă, tipificată prin generarea fotovoltaică (PV). Atunci când sunt introduse echipamente de producție PV pe scară largă și echipamente de stocare a energiei, pe lângă generarea de energie, cum ar fi energia termică, hidraulică și energia nucleară care sunt utilizate în mod obișnuit în prezent, este necesar să se ia în considerare încărcarea și descărcarea de energie prin ieșirea generată de PV și acumulatori pentru a menține echilibrul între cerere și ofertă. Cu toate acestea, cantitatea de energie din generarea PV variază, deoarece există incertitudine legată de modificările vremii și de modificările volumului radiației solare în funcție de fusul orar. Acest lucru face mai dificilă menținerea sincronizării grupurilor de generatoare. Nevoia de a analiza sincronizarea este mai mare ca niciodată.

Cu analiza convențională, o abordare majoră se bazează pe simularea numerică. Nu există studii care să clarifice teoretic principiile de bază pentru sincronizarea corectă a grupurilor de generatoare în funcție de structura rețelei de transmisie a puterii. Există o nevoie urgentă de a construi un cadru de aprovizionare și cerere de energie care să utilizeze eficient echipamente de stocare a energiei pentru a permite incertitudinea producției fotovoltaice și a previziunilor cererii.

Prezentare generală a realizării cercetării

Profesorul asistent Takayuki Ishizaki, profesorul Jun-ichi Imura de la Tokyo Tech și profesorul asociat Aranya Chakrabortty de la Centrul de sistem NSF ERC FREEDM de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord au lucrat la mai multe studii, inclusiv modelarea rețelei de energie, analiza stabilității și controlul stabilizării din perspectiva teoria graficelor [2]. Ei au clarificat că simetria rețelei în teoria graficelor este principiul fundamental pentru realizarea sincronizării grupurilor de generatoare la centralele termice integrate cu rețele electrice (conectate la o rețea).

Comportamentul generatoarelor conectate printr-o rețea într-o rețea electrică este reprezentat de ecuații complexe (ecuații algebrice diferențiale) care combină ecuații diferențiale și ecuații algebrice. Ecuațiile diferențiale exprimă „comportamentul generatoarelor” derivat din a doua lege a mișcării lui Newton, iar ecuațiile algebrice exprimă „echilibrul de putere la punctele de conectare a rețelei electrice” derivate din legea lui Ohm și legea lui Kirchhoff [3]. Analiza acestor ecuații algebrice diferențiale a fost efectuată în general prin transformarea într-o ecuație diferențială echivalentă matematic printr-o metodă de simplificare numită reducerea Kron. Cu toate acestea, problemele au fost că, cu abordarea existentă, deoarece ecuația algebrică care reprezintă rețeaua electrică este eliminată prin ștergerea variabilei redundante care reprezintă tensiunea punctului de conexiune, nu a fost foarte potrivită pentru analiza relației dintre structura rețelei rețelei electrice comportamentul generatorului.

Pentru a rezolva această problemă, au analizat structura rețelei rețelei de energie conținută în ecuațiile algebrice din punctul de vedere al simetriei pe baza unei înțelegeri a teoriei graficelor. Mai exact, analizând comportamentul generatorului fără a elimina ecuațiile algebrice, au descoperit că simetria rețelei electrice este principiul de bază pentru realizarea sincronizării grupurilor de generator. În plus, pe baza unei noi idei de integrare simultană a grupurilor de generatori care prezintă un comportament sincron și rețeaua electrică care le cuplează, a devenit posibilă construirea matematică și fizică a unui model agregat fezabil.

Se așteaptă ca această realizare să conducă la o bază pentru dezvoltarea metodelor de analiză și control pentru realizarea unei alimentări stabile a sistemelor de energie electrică mari și complexe. În viitor, profesorul Imura spune că își propune să dezvolte sisteme de energie electrică mai complexe, inclusiv convertoare, și să stabilească o teorie pentru a aproxima sincronizarea grupurilor de generator.

[1] Sincronizarea grupurilor de generatoare: unghiurile de fază ale rotoarelor, cum ar fi turbinele generatoarelor multiple, trebuie să fie aceleași sau destul de apropiate. Fiecare rotor se rotește în conformitate cu standardul unei frecvențe specifice (50 Hz sau 60 Hz în Japonia) pentru a-și menține frecvența. O diferență în frecvența fiecărui generator creează o diferență în unghiul de fază.

[2] Teoria graficelor: Aceasta este o teorie matematică legată de grafice (structura rețelei) compuse din seturi de vârfuri (noduri) și seturi de margini. Rețeaua rețelei electrice este interpretată ca un grafic în care punctul de conexiune este vârful și linia de transmisie care leagă punctele de conexiune este marginea.

[3] Legea lui Ohm, Legea lui Kirchhoff: Acestea sunt legi fizice care exprimă relația dintre mărimile fizice, cum ar fi tensiunea și curentul într-un circuit electric. Legea lui Ohm indică faptul că diferența de tensiune dintre două puncte dintr-un circuit este proporțională cu curentul care curge între ele. Legea lui Kirchhoff indică faptul că la punctul de ramificare din circuit, suma curenților care curg în acel punct este egală cu suma curenților care curg din acel punct.