Från vänster diskuterar Michael Starke, Steven Campbell och Madhu Chinthavali från ORNL konfigurationen av kraftelektroniknavet som demonstrerats med hårdvara i lågspänningslaboratoriet vid GRID-C. Kredit:Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Forskare vid Oak Ridge National Laboratory demonstrerade nyligen en ny teknik för att bättre kontrollera hur kraften flödar till och från kommersiella byggnader utrustade med sol-, vind- eller annan förnybar energiproduktion.
"Vi skapar ett framtida elnät som gör att förnybar energi kan användas på det mest effektiva sättet", säger ORNL:s Madhu Chinthavali, som leder forskningen. "Med den här nya nätgränssnittsarkitekturen kan operatörer styra energiflöden mycket mer meningsfullt, även när elproduktionen är decentraliserad."
Förnybar energi är nyckeln till att hjälpa den amerikanska elsektorn att uppnå nationella mål för utsläpp av koldioxid. Men de tillför också osäkerhet till elnätet eftersom de är ojämnt tillgängliga över hela landet och genererar elektricitet intermittent. Att utveckla och samordna kraftelektroniksystem för att lättare integrera dessa resurser är avgörande för att skapa ett mer motståndskraftigt nät för tillförlitlig el.
Chinthavalis forskargrupp designade en hybrid AC/DC kraftelektroniknav för att fungera som en grindvakt mellan det större nätet och delsystemen inklusive förnybara energikällor, generatorer och batterilagring. Tekniken utvecklades och testades i Department of Energy's Grid Research Integration and Deployment Center, eller GRID-C, på ORNL.
GRID-C erbjuder en unik plattform för att bygga kraftelektroniksystem, börja med den minsta komponenten, sedan testa och demonstrera kompletta system som innehåller både hårdvara och simulering. I lågspänningslaboratoriet rymmer rader av metallbehållare ORNL-utvecklade kraftelektronikomvandlare, släpkablar tjockare än en handled och slutar i pluggar breda som en platta. Dessa omvandlare ger olika effektnivåer till elektriska matningar baserat på olika scenarier. De är ihopparade med lika stora kraftemulatorer som kan efterlikna energi som levereras av en solpanel eller ett batterisystem. Enorma pekskärmar tillåter ingenjörer att ordna om systemet och justera dess funktion.
ORNL-ingenjörer designade kraftelektroniknavet för att styra hur omvandlarna interagerar med varandra och nätet. Emulatorer är inrättade för att efterlikna elektrisk dragning och generering av en solcellspanel, ett lagringsbatteri, en nödgenerator och ett kritiskt datacenter med hög elektrisk efterfrågan. Kraftelektroniknavet programmerades för att självständigt hantera kraftflödet för alla dessa elektriska belastningar, vilket hjälper till att förhindra fluktuationer i utbud och efterfrågan på det bredare elnätet.
Kraftelektroniknavet spelar rollen som mellanchef mellan det större elnätet och den lokala kraftelektroniken. "Istället för att verktyget pratar med, säg, en miljon resurser, minskar den här tekniken det antalet med en faktor 10", säger ORNL:s Michael Starke, ledande mjukvaruarkitekt för projektet. "Från ett företags synvinkel fungerar all utrustning som hanteras av kraftelektroniknavet som ett enda system."
Detta är en fördel för kraftbolag som står inför att införliva distribuerad och intermittent energi från sol-, vind-, geotermiska och andra förnybara källor i ett hundraårigt nät som utformats för att driva ut stadiga flöden av energi från centraliserade kraftverk.
Liknande koncept har testats av vissa verktyg, men dessa metoder använder en enda leverantörs egna produkter på ett föreskrivet sätt, sa Starke. Eftersom ORNL konstruerade kraftelektronikomvandlarna och många av komponenterna, är den resulterande tekniken öppet tillgänglig och kan anpassas för att uppnå specifika mål.
Experiment från Chinthavalis team har till exempel visat att kraftelektroniknavet kan prioritera att ge de största kostnadsbesparingarna till kundägda system eller tillhandahålla en konsekvent försörjning av ström till elsystem. ORNL-forskare visade att dessa mål kan integreras direkt i hårdvaran och mjukvaran, och de har också utvecklat den stödjande kommunikations- och kontrollinfrastrukturen.
"Det börjar med förtestning och förautomatisering av system som enkelt kan skalas upp och distribueras snabbt", säger Chinthavali och tillade att projektet har lett till tre patentansökningar. "Vi försöker standardisera system så att de är interoperabla." Att gå bortom modellering till att demonstrera tekniken i trådbunden hårdvara var en milstolpe som bara var möjlig på grund av ORNL:s kapacitet i GRID-C. "Detta är det enda stället där vi kan utveckla både mjukvaran och hårdvaran för att fullt ut förbereda oss för att distribuera denna teknik till industrin," sa Chinthavali.
Flera branscher kunde se betydande fördelar. Tekniken kan användas av en byggare eller byggnadsägare för att spara pengar och energi, eller så kan den installeras av ett verktyg för förbättrad effektkontroll och tillförlitlighet. Teamet går vidare till nästa steg i forskningen:ersätter kommersiella omvandlare med högre effekt som säkras direkt från industrin. Detta kommer att visa att kraftelektroniknavet kan hantera de megawatt ström som hanteras av elbolag med hjälp av komponenter från kommersiella leverantörer.
ORNL-teamet som utvecklade kraftelektroniknavet inkluderar Steven Campbell, ledande arkitekt för systemintegration; Ben Dean, communication interface developer; Jonathan Harter, hardware systems specialist; and Rafal Wojda, magnetic systems specialist.
"We're now working on how to extend these power electronics hubs from small scale to thousands working together, coordinating to deliver energy as needed from all sorts of different angles and different sources," Starke said. "We're trying to show that the power electronics hub can act like a battery almost, pushing power in and out under our control. That provides all kinds of flexibility to the grid that wasn't there before."
The power electronics hub is an example of the type of technology developed in GRID-C that could be deployed with a potential consortium of partners. ORNL held an interest meeting today with stakeholders from industry, utilities and research institutions to discuss power electronics challenges and strategies. Participants discussed a possible framework for an organization to accelerate development and deployment of power electronics systems for managing the electric grid of the future. + Utforska vidare
