Een gezamenlijk onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) en de North Carolina State University heeft de fundamentele principes verduidelijkt voor het bereiken van de synchronisatie van stroomgeneratorgroepen in stroomnetwerken, wat essentieel is voor een stabiele stroomvoorziening. Op basis van dit principe, het team ontwikkelde een methode voor het construeren van een geaggregeerd model van een stroomnetwerk dat efficiënt het gedrag van generatorgroepen (inclusief rotorfasehoeken en aansluitpuntspanningen) met complexe aansluiting op een elektriciteitsnet kan analyseren en regelen.

Het is bekend dat het synchronisatieverschijnsel van generatorgroepen, zoals bij meerdere thermische krachtcentrales, nauw verband houdt met de stabiele levering van elektrisch vermogen. specifiek, als een generator niet gesynchroniseerd is, die generator en de omliggende generatoren niet stabiel kunnen werken, en in het ergste geval ernstige ongelukken zoals stroomuitval kunnen optreden.

In aanvulling, energieproblemen veroorzaakt door de opwarming van de aarde en de uitputting van fossiele brandstoffen zijn op wereldschaal ernstiger geworden. Daarom, vanuit het oogpunt van vermindering van kooldioxide en systematisch gebruik van energie, Er zijn hoge verwachtingen gesteld aan hernieuwbare energie, zoals die wordt getypeerd door fotovoltaïsche (PV) opwekking. Wanneer grootschalige PV-opwekkingsapparatuur en energieopslagapparatuur worden geïntroduceerd, naast energieopwekking zoals conventioneel gebruikte thermische energie, hydraulische energie en kernenergie, het is noodzakelijk om rekening te houden met het laden en ontladen van stroom door PV-gegenereerde output en accu's om het evenwicht tussen vraag en aanbod te behouden. Echter, de hoeveelheid stroom van PV-opwekking fluctueert omdat er onzekerheid bestaat over veranderingen in het weer en veranderingen in het zonnestralingsvolume volgens de tijdzone. Dit maakt het moeilijker om de synchronisatie van generatorgroepen te behouden. De noodzaak om synchronisatie te analyseren is groter dan ooit.

Met conventionele analyse, een belangrijke benadering is gebaseerd op numerieke simulatie. Er zijn geen studies die theoretisch de basisprincipes verduidelijken voor het correct synchroniseren van generatorgroepen volgens de netwerkstructuur van krachtoverbrenging. Er is dringend behoefte aan het bouwen van een raamwerk voor vraag en aanbod van stroom dat efficiënt gebruikmaakt van apparatuur voor energieopslag om rekening te houden met de onzekerheid van PV-opwekking en vraagvoorspellingen.

Overzicht van onderzoeksprestaties

Universitair docent Takayuki Ishizaki, Professor Jun-ichi Imura van Tokyo Tech, en universitair hoofddocent Aranya Chakrabortty van het NSF ERC FREEDM System Center aan de North Carolina State University werkten aan meerdere onderzoeken, waaronder modellering van elektriciteitsnetwerken, stabiliteitsanalyse, en stabilisatiecontrole vanuit het perspectief van de grafentheorie. Ze hebben verduidelijkt dat de symmetrie van het netwerk in de grafentheorie het fundamentele principe is voor het realiseren van de synchronisatie van generatorgroepen bij thermische centrales geïntegreerd met elektriciteitsnetten (aangesloten op een netwerk).

Het gedrag van generatoren die via een netwerk in een elektriciteitsnet zijn verbonden, wordt weergegeven door complexe vergelijkingen (differentiaal-algebraïsche vergelijkingen) die differentiaalvergelijkingen en algebraïsche vergelijkingen combineren. De differentiaalvergelijkingen drukken "gedrag van generatoren" uit, afgeleid van de tweede bewegingswet van Newton, en de algebraïsche vergelijkingen drukken "vermogensbalans op elektriciteitsnetaansluitpunten" uit, afgeleid van de wet van Ohm en de wet van Kirchhoff. Analyse van deze differentiële algebraïsche vergelijkingen werd over het algemeen uitgevoerd door transformatie in een wiskundig equivalente differentiaalvergelijking via een vereenvoudigingsmethode die de Kron-reductie wordt genoemd. Echter, aangezien de algebraïsche vergelijking die het elektriciteitsnet vertegenwoordigt, wordt geëlimineerd door de overtollige variabele te verwijderen die de aansluitpuntspanning vertegenwoordigt, het was niet geschikt om de relatie tussen de netwerkstructuur van het elektriciteitsnet en het gedrag van de generator te analyseren.

Om dit probleem op te lossen, ze analyseerden de netwerkstructuur van het elektriciteitsnet in de algebraïsche vergelijkingen vanuit het oogpunt van symmetrie op basis van een goed begrip van de grafentheorie. specifiek, door het gedrag van de generator te analyseren zonder de algebraïsche vergelijkingen te elimineren, ze ontdekten dat de symmetrie van het elektriciteitsnet (Figuur 1) het basisprincipe is om synchronisatie van generatorgroepen te realiseren. In aanvulling, gebaseerd op een nieuw idee van gelijktijdige integratie van generatorgroepen die synchroon gedrag vertonen en het elektriciteitsnet dat deze koppelt, het werd mogelijk om wiskundig en fysiek een haalbaar geaggregeerd model te construeren (Figuur 2).

De verwachting is dat deze prestatie zal resulteren in een basis voor het ontwikkelen van analyse- en controlemethoden voor het realiseren van een stabiele stroomvoorziening van grote en complexe elektrische energiesystemen. In de toekomst, Professor Imura zegt dat het gericht is op de ontwikkeling van complexere elektrische energiesystemen, waaronder converters, en om een ​​theorie op te stellen om de synchronisatie van generatorgroepen te benaderen.

Dit onderzoeksresultaat is gepubliceerd in Procedures van de IEEE op 25 april 2018.