Husägare och företag kan nu ha lättare att få solpaneler på hustaken tack vare mjukvara utvecklad på Sandia.

Den nya programvaran kan köra en detaljerad, sekund för sekund simulering, känd som kvasi-statisk tidsserieanalys, som visar energibolag hur solpaneler på taket i ett specifikt hus eller företag skulle interagera med ett lokalt elnät under hela året.

Energibolag behöver analysen eftersom de måste leverera el med den standardspänning som används för att driva allt från kylskåp till telefonladdare. Stora mängder solenergi i en del av en stad kan leda till extrema spänningsfluktuationer, som kan skada hushållselektronik.

Denna typ av nätanalys har inte varit praktisk utanför forskningsinställningarna, tills nu, eftersom tidigare modeller tog dagar att köra ett enda scenario. De nya simuleringarna är mer detaljerade än de som används av verktygsföretag, och Sandia-forskare hoppas att de kommer att resultera i fler solpanelsinstallationer.

"När du installerar nya solpaneler på nätet, energibolag kommer att analysera hur ett nytt system interagerar med nätet, vanligtvis genom att göra en ögonblicksbild, kraftflödessimulering för att avgöra om effekterna kommer att vara OK eller inte, " sade Sandias ingenjör Matthew Reno. "Men, att göra en ögonblicksbild av ett tillfälle i tiden är konservativt på grund av osäkerheten om påverkan som inträffar vid olika tidpunkter på solpaneler, som vädret. Detta kan leda till ökade anslutningskostnader eller att husägare som bor i delar av staden har onödigt låga gränser för att lägga till solpaneler, särskilt i soliga tillstånd."

I ett treårigt projekt finansierat av DOE:s Solar Energy Technologies Office som en del av Grid Modernization Lab Consortium, Sandia, National Renewable Energy Laboratory, Georgia Tech University, Electric Power Research Institute och CYME International, den största mjukvaruleverantören för allmännyttiga företag, använde ett fyrdelat tillvägagångssätt för att påskynda tidsserieanalyser för att lära sig mer exakt hur användningen av solenergi påverkar nätet.

"Projektet tacklade fyra huvudområden för att göra tidsserieanalys snabbare - med tanken att vart och ett av de fyra områdena utvecklades oberoende - och sedan kombinerades de, " sa Reno. "Till exempel, om varje metod gör analysen 10 gånger snabbare, när vi kombinerar två metoder, det kan vara 100 gånger snabbare."

En analys körs nu 1, 000 gånger snabbare än för två år sedan, sa Reno. Programvaran kan ta en simulering som tidigare tog 36 timmar och slutföra den på mindre än fem minuter på en vanlig stationär dator.

Simulerar ett år på nätet

Teamet övervägde först hur man skulle minska hur ofta elnätets strömflöde måste simuleras över tid. Istället för att simulera varje sekund av året individuellt, mjukvaran rör sig genom det simulerade året i en varierad takt, med hänsyn till om det är natt eller dag eller sannolikt är molnigt eller soligt vid den tiden på året.

"Du kan hoppa över tiden snabbare vid vissa punkter och lägga beräkningsansträngningen där det behövs som mest, med hjälp av händelsebaserad simulering eller variabelt tidssteg, " sa Reno. "Under molniga perioder med varierande mängder solljus, simuleringen saktar ner och tittar på nedslaget sekund för sekund. När det är låg variation, som på natten när allt är ganska stabilt, simuleringen kan hoppa framåt med större tidssteg, gör programmet mer effektivt."

Den andra delen av projektet fokuserade på att göra de enskilda simuleringarna snabbare genom att uppdatera formlerna som används för att beräkna effektflödet. Teamet arbetade med utvecklarna av den vanligaste kommersiella programvaran och programvaran för eldistributionssystem med öppen källkod för att förbättra input och output, minneshantering och algoritmer för stora datamängder.

Den tredje utmaningen fokuserade på att minska komplexiteten i elnätsmodellen som programvaran använder samtidigt som dess noggrannhet bibehålls. Ju mindre, effektivare modell hjälper programvaran att lösa problem snabbare genom att fokusera sin analys på kritiska delar av nätet.

Den fjärde delen av projektet fokuserade på att förändra hur en standard företagsdator kör analysen för att säkerställa att alla bearbetningskärnor används.

"I kvasistatisk tidsserieanalys, varje sekund är beroende av den som kom innan, vilket betyder att allt måste göras sekventiellt, på en enda processor, på en enda kärna, " Sa Reno. "Din stationära dator kan ha sju andra kärnor som sitter där och gör ingenting medan en enda kärna utförde simuleringen för hela året själv."

Den nya mjukvaran separerar delar av året eller delar av nätet, tilldelar dem till var och en av de tillgängliga datorkärnorna och kör dem parallellt.

Utvärderar smarta nätkontroller och ny teknik

Medan fokus för projektet har varit att stödja solceller på taket, Reno sa att den nya programvaran också kan utvärdera ny teknik och smarta nätkontroller.

"När vi ser på framtiden med nya smarta nätapplikationer och kontroller, energibolag kommer att ha fortsatt behov av att använda tidsserieanalyser för att se hur ny elbilsladdning kommer att påverka stadsdelar, undersöka de bästa kontrollerna och applikationerna för energilagring eller avgöra hur smarta hem styr, som termostater och lampor, kan gynna deras nät, " sa Reno. "För att förstå de nya fördelarna och kontrollerbarheten av det smarta nätet, dessa företag måste kunna simulera det först."