Toshiba Corporation heeft de effectiviteit aangetoond van zijn grid-forming (GFM)-omvormer, die is ontwikkeld om de stabiliteit van microgrids te waarborgen. Een microgrid is een type gedistribueerd energiesysteem dat regionale zelfvoorziening voor elektrische energie mogelijk maakt door het gebruik van hernieuwbare energie, in plaats van te vertrouwen op de stroomvoorziening van grootschalige elektriciteitscentrales. Wanneer er een plotselinge fluctuatie is in de output van of de vraag naar elektrisch vermogen, kan een normaal stabiele frequentie drastisch fluctueren, waardoor mogelijk een beveiligingsrelais wordt geactiveerd en de stroomtoevoer wordt onderbroken, wat kan leiden tot stroomuitval. Met name naarmate het aandeel van hernieuwbare energie toeneemt, nemen de fluctuaties in de netfrequentie toe. Met name frequentieschommelingen zullen toenemen naarmate de verhoudingen van hernieuwbare energie toenemen, dus het wijdverbreide gebruik van microgrids zal technologieën vereisen om een ​​stabiele netfrequentie te behouden.

In maart 2022 ontwikkelde Toshiba een GFM-omvormer die de netfrequentie van distributiesystemen kan handhaven door pseudo-traagheid te leveren via de stroomuitvoer van de omvormer wanneer de netfrequentie snel fluctueert. Het bedrijf heeft nu de resultaten geverifieerd van het gebruik van GFM-omvormers in een omgeving die vergelijkbaar is met echte omgevingen, inclusief het daadwerkelijke gebruik van hernieuwbare energie, en heeft aangetoond dat het monteren van GFM-omvormers op fotovoltaïsche stroomgeneratoren de afname van de netfrequentie met ongeveer 30% onderdrukt.

Toshiba is van plan om details van deze resultaten te presenteren op de jaarlijkse conferentie van de Power and Energy Society van het Institute of Electrical Engineers of Japan in september 2022 en op het IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE2022) in 2022 in oktober 2022.

Toshiba heeft dit onderzoek laten uitvoeren onder "The Smart Synchronous Inverter (SSI) and its control systems based on virtual synchronization with power girds to use power from multiple hernieuwbare energiebronnen" als onderdeel van het fiscale 2019-2021 Project for Low Carbon Technology van het Ministerie van Milieu. Programma voor onderzoek, ontwikkeling en demonstratie. Dit werk is uitgevoerd in samenwerking met Pacific Power Co., Ltd., Energy &Environment Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology en Pacific Consultants Co., Ltd.

Ontwikkelingsachtergrond

In oktober 2020 heeft de Japanse regering het doel uitgeroepen om tegen 2050 koolstofneutraliteit te bereiken en, met als doel een koolstofarme samenleving te realiseren, het gebruik van zonne-energie, windenergie en andere vormen van hernieuwbare energie als belangrijkste energiebronnen te bevorderen. Het zesde strategische energieplan, goedgekeurd door het kabinet op 22 oktober 2021, stelt dat "om gedistribueerde energiebronnen zoals hernieuwbare energie en warmtekrachtkoppeling in lokale gemeenschappen te gebruiken, we hopen dat de oprichting van microgrids en andere zelfvoorzienende en gedistribueerde energiebronnen systemen, die ook zullen bijdragen aan efficiënt energieverbruik door middel van lokale productie voor lokale consumptie, de veerkracht zullen versterken, enz.", wat wijst op groeiende verwachtingen voor micronetwerken (Figuur 1) die kunnen zorgen voor zelfvoorziening van stroom bij uitval als gevolg van rampen.

In het buitenland zijn er, naast het aanpakken van milieuproblemen, meerdere projecten in Aziatische en Afrikaanse landen geweest om microgrids te bouwen met behulp van hernieuwbare energie en opslagbatterijen die elektriciteit zullen leveren aan gebieden waar elektriciteitsnetwerken onontwikkeld zijn (off-grid-gebieden). Vanaf 2015 overschreed de wereldwijde microgridcapaciteit 12.000 megawatt en in de toekomst wordt verdere uitbreiding verwacht.

In een conventioneel bulkenergiesysteem, zelfs in het geval van schommelingen in de vraag of de output van hernieuwbare energie, onderdrukt de traagheid (de eigenschap die probeert een toestand te behouden) van roterende lichamen zoals turbines die worden gebruikt voor thermische energieopwekking snelle veranderingen in systeemfrequentie, waardoor een stabiele stroomvoorziening behouden blijft. Als hernieuwbare energie in de toekomst echter de belangrijkste energiebron wordt en er een verminderde verhouding is tussen stroombronnen zoals thermische energieopwekking die grote turbines gebruiken, zal er minder traagheidskracht zijn van roterende lichamen, wat de stabiliteit van elektrische energie kan beïnvloeden. stroomvoorziening. Geschatte kosten voor maatregelen om een ​​dergelijk traagheidstekort aan te pakken variëren van 5,1 tot 12,9 miljard yen per jaar als de verhouding van hernieuwbare energie in het bulkstroomsysteem 50%-60% wordt.

Er wordt aangenomen dat zonne- en windenergie de belangrijkste energiebronnen zijn in microgrids, die kleinschalige energiesystemen zijn in vergelijking met bulkenergiesystemen. De hoeveelheid opgewekte stroom fluctueert afhankelijk van het weer en er is geen aansluiting op thermische centrales die grote turbines gebruiken. Als gevolg hiervan zal de instabiliteit van de stroomvoorziening als gevolg van een gebrek aan traagheid nog meer uitgesproken zijn. Om de stabiliteit van micronetwerken te garanderen, is het daarom essentieel om technologieën te ontwikkelen om het gebrek aan inertie te compenseren en de voedingen te stabiliseren, en om deze technologieën te demonstreren en ze zo snel mogelijk in de praktijk te brengen.

Kenmerken van de technologie

Toshiba heeft een prototype GFM-omvormer ontwikkeld die synthetische traagheid biedt en de fluctuaties van de netfrequentie in distributiesystemen onderdrukt, zelfs wanneer fluctuaties in de stroomvoorziening of de stroomvraag optreden (Figuur 2) en de effectiviteit ervan heeft aangetoond. Toshiba heeft een besturingsalgoritme van de GFM-omvormer geïmplementeerd in batterij-energieopslagsystemen in plaats van een conventioneel besturingsalgoritme zonder inertie, en wanneer er snelle schommelingen zijn in de output van hernieuwbare energie of de stroombehoefte, levert de omvormer stroom en genereert hij een synthetische traagheid om het net te onderhouden frequentie. Dit onderdrukt onmiddellijk plotselinge frequentiedalingen, waardoor een stabiele stroomvoorziening wordt gerealiseerd.

Toshiba had ook een verificatie uitgevoerd van deze omvormer, geïmplementeerd in een gesimuleerd microgrid. Het gesimuleerde microgrid ging uit van een netfrequentie van 50 Hz (de netfrequentie die wordt gebruikt in het oosten van Japan) en een percentage van 40% hernieuwbare energie, waarbij vijf batterij-energieopslagsystemen werden gecombineerd (20 kW vermogen, 14,9 kWh batterijcapaciteit) uitgerust met GFM-omvormers, een diesel synchrone generator (125 kVA nominaal) met een interne verbrandingsmotor en twee belastingbanken die worden gebruikt om de vermogensbelasting te variëren. Bij die verificatie werd aangetoond dat bij belastingschommelingen van 50 kW de netfrequentiereducties met 70% onderdrukt werden, van 2,4 Hz (50,0 tot 47,6 Hz) tot 0,6 Hz (50,0 Hz tot 49,4 Hz). De frequentiedrempel voor stroomonderbrekingen als gevolg van schommelingen in de netfrequentie in Oost-Japan is ingesteld op 48,5 Hz, en verificaties met behulp van echte apparatuur zorgden ervoor dat de frequentie niet onder deze drempel kwam, wat aantoont dat een stabiele stroomvoorziening is gerealiseerd die stroomuitval voorkomt. Dit is 's werelds eerste demonstratie van parallelle werking van een synchrone dieselgenerator en omvormer.

Om de effecten van de GFM-omvormer te verifiëren in een staat die vergelijkbaar is met de werkelijke omstandigheden, heeft Toshiba een verificatietest uitgevoerd met slechts één fotovoltaïsch zonne-energiesysteem (20 kW-classificatie) en één synchrone dieselgenerator (125 kVA-classificatie) uitgerust met een GFM-omvormer , in plaats van gebruik te maken van batterij-energieopslagsystemen die zijn uitgerust met een GFM-omvormer. Bij deze verificatie werd aangetoond dat de afname van de netfrequentie met ongeveer 30% onderdrukt werd, van 1 Hz (50,0 tot 49,0 Hz) tot 0,7 Hz (50,0 tot 49,3 Hz) wanneer de belastingsfluctuatie 20 kW was (Figuur 3). In de configuratie in combinatie met de energieopslagsystemen hebben we ook het effect geverifieerd van het onderdrukken van de afname van de netfrequentie met 70%, van 2,2 Hz (50,1 tot 47,9 Hz) naar 0,6 Hz (50,2 tot 49,6 Hz), zowel bij het ontladen van accu's als wanneer u ze oplaadt (Figuur 4). Dit zal naar verwachting bijdragen aan de netstabiliteit bij het opladen van elektrische voertuigen. Toshiba heeft ook geverifieerd dat de momentane belasting van de GFM-omvormer met 30% kan worden verminderd, van 22 tot 16 kW, door een traagheid te selecteren die geschikt is voor parallelle werking van synchrone generatoren met interne verbrandingsmotoren, zoals die naar verwachting zullen worden gebruikt in een microgrid (Figuur 5).

Om tegen 2050 een koolstofarme samenleving te realiseren, heeft de Japanse regering haar "Regional Decarbonization Roadmap" geformuleerd voor het ontwikkelen van maatregelen door middel van samenwerking en co-creatie tussen de nationale en lokale overheden, en heeft zij een beleid aangegeven voor "het realiseren van koolstofarme, robuuste en levendige gemeenschappen door het hele land, zonder te wachten tot 2050." Met het doel om de GFM-omvormer te gebruiken die is ontwikkeld voor microgrids, zal Toshiba zich blijven bezighouden met onderzoek, ontwikkeling en demonstraties voor vroege commercialisering. + Verder verkennen

De rol van netvormende omvormers in het toekomstige elektriciteitsnet simuleren