Ett kraftnät bestående av fyra generatorer och sex bussar (anslutningspunkter). Generator 1 och 2 och buss 1 och 2 som dessa är anslutna till blir ett symmetriskt nätverk för buss 5. På samma sätt Generatorer 3 och 4 och bussar 3 och 4 blir symmetriska för buss 6. De två uppsättningarna symmetriska generatorgrupper och bussar visas som kluster 1 och 2. Kredit: IEEE:s förfaranden
Ett gemensamt forskargrupp från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) och North Carolina State University har förtydligat de grundläggande principerna för att uppnå synkronisering av kraftgeneratorgrupper i kraftnät, vilket är avgörande för en stabil strömförsörjning. Baserat på denna princip, laget utvecklade en metod för att konstruera en aggregerad modell av ett kraftnät som effektivt kan analysera och kontrollera beteendet hos generatorgrupper (inklusive rotorfasvinklar och anslutningspunktspänningar) med komplex anslutning till ett elnät.
Det är känt att synkroniseringsfenomenet hos generatorgrupper, såsom vid flera värmekraftverk, är nära besläktat med den stabila elförsörjningen. Specifikt, om en generator är ur synkronisering, att generator och dess omgivande generatorer inte kommer att kunna fungera stabilt, och i värsta fall allvarliga olyckor som strömavbrott kan inträffa.
Dessutom, energiproblem som orsakas av global uppvärmning och utarmning av fossila bränslen har blivit allvarligare på global nivå. Därför, ur synvinkeln att minska koldioxid och systematisk energianvändning, Höga förväntningar har ställts på förnybar energi som den som kännetecknas av solcellsgenerering (PV). När storskalig PV-generationsutrustning och kraftlagringsutrustning introduceras, förutom energiproduktion, till exempel konventionell termisk effekt, hydraulisk kraft och kärnkraft, det är nödvändigt att överväga energiladdning och urladdning med PV-genererade utgångs- och lagringsbatterier för att upprätthålla jämvikt mellan utbud och efterfrågan. Dock, mängden kraft från PV -generationen fluktuerar eftersom det finns osäkerhet relaterad till väderförändringar och förändringar i solstrålningsvolym enligt tidszon. Detta gör det svårare att upprätthålla synkroniseringen av generatorgrupper. Behovet av att analysera synkronisering är större än någonsin.
Med konventionell analys, ett stort tillvägagångssätt är baserat på numerisk simulering. Det finns inga studier som teoretiskt klargör de grundläggande principerna för hur man korrekt synkroniserar generatorgrupper i enlighet med nätstrukturen för kraftöverföring. Det finns ett brådskande behov av att bygga en ram för strömförsörjning och efterfrågan som effektivt utnyttjar kraftlagringsutrustning för att möjliggöra osäkerhet kring PV -generation och efterfrågan.
Synkroniserat kluster av en aggregerad modell erhållen genom att samtidigt integrera de två uppsättningarna symmetriska generatorgrupper och buss (anslutningspunkt) grupper i figur 1. Enligt Ohms lag och Kirchhoffs lag, det är en matematiskt och fysiskt genomförbar aggregerad modell. Kreditera: IEEE:s förfaranden
Översikt över forskningsresultat
Biträdande professor Takayuki Ishizaki, Professor Jun-ichi Imura från Tokyo Tech, och docent Aranya Chakrabortty från NSF ERC FREEDM System Center vid North Carolina State University arbetade med flera studier, inklusive modellering av kraftnät, stabilitetsanalys, och stabiliseringskontroll ur grafteorins perspektiv. De har förtydligat att nätets symmetri i grafteorin är den grundläggande principen för att förverkliga synkronisering av generatorgrupper vid värmekraftverk integrerade med kraftnät (anslutna till ett nätverk).
Beteendet hos generatorer som är anslutna via ett nätverk i ett kraftnät representeras av komplexa ekvationer (differentialalgebraiska ekvationer) som kombinerar differentialekvationer och algebraiska ekvationer. Differentialekvationerna uttrycker "beteende hos generatorer" som härrör från Newtons andra rörelselag, och de algebraiska ekvationerna uttrycker "effektbalans vid nätanslutningspunkter" härledda från Ohms lag och Kirchhoffs lag. Analys av dessa differentialalgebraiska ekvationer utfördes i allmänhet genom omvandling till en matematiskt ekvivalent differentialekvation genom en förenklingsmetod som kallas Kronreduktion. Dock, eftersom den algebraiska ekvationen som representerar elnätet elimineras genom att radera den redundanta variabeln som representerar anslutningspunktspänningen, det var inte lämpligt för att analysera sambandet mellan nätets nätstruktur och elgeneratorns beteende.
Lös problemet genom att de analyserade nätstrukturen för elnätet i de algebraiska ekvationerna ur symmetri synvinkel baserat på en förståelse av grafteori. Specifikt, genom att analysera beteendet hos generatorn utan att eliminera de algebraiska ekvationerna, de upptäckte att symmetrin hos elnätet (figur 1) är grundprincipen för att förverkliga synkronisering av generatorgrupper. Dessutom, baserat på en ny idé om att samtidigt integrera generatorgrupper som visar synkront beteende och det kraftnät som kopplar dessa, det blev möjligt att matematiskt och fysiskt konstruera en genomförbar aggregerad modell (figur 2).
Det förväntas att denna prestation kommer att resultera i en grund för att utveckla analys- och kontrollmetoder för att realisera stabil strömförsörjning till stora och komplexa elkraftsystem. I framtiden, Professor Imura säger att det syftar till att utveckla mer komplexa elkraftsystem inklusive omvandlare, och att etablera en teori för att approximera synkroniseringen av generatorgrupper.
Detta forskningsresultat publicerades i IEEE:s förfaranden den 25 april, 2018.
