Toshiba Corporation har visat effektiviteten hos sin nätformande (GFM) inverterare, som utvecklades för att säkerställa stabiliteten hos mikronät. Ett mikronät är en typ av distribuerat energisystem som möjliggör regional självförsörjning av el genom användning av förnybar energi, snarare än att förlita sig på kraftförsörjning från storskaliga kraftverk. När det uppstår en plötslig fluktuation i uteffekten av eller efterfrågan på elkraft kan en normalt stabil frekvens fluktuera drastiskt, eventuellt utlösa ett skyddsrelä och stänga av strömförsörjningen, vilket leder till strömavbrott. I synnerhet när andelen förnybar energi ökar ökar fluktuationerna i nätfrekvensen. I synnerhet kommer frekvensfluktuationer att öka med ökade andelar förnybar energi, så den utbredda användningen av mikronät kommer att kräva teknik för att upprätthålla en stabil nätfrekvens.

I mars 2022 utvecklade Toshiba en GFM-växelriktare som kan upprätthålla nätfrekvensen för distributionssystem genom att tillhandahålla pseudo-tröghet genom uteffekt från växelriktaren när nätfrekvensen snabbt fluktuerar. Företaget har nu verifierat resultaten av att använda GFM-växelriktare i en miljö som liknar verkliga miljöer, inklusive den faktiska användningen av förnybar energi, och har visat att montering av GFM-växelriktare på solcellsgeneratorer undertrycker minskningar av nätfrekvensen med cirka 30 %.

Toshiba planerar att presentera detaljer om dessa resultat vid den årliga konferensen för Power and Energy Society vid Institute of Electrical Engineers of Japan i september 2022 och vid 2022 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE2022) i oktober 2022.

Toshiba beställde denna forskning under "Den smarta synkrona växelriktaren (SSI) och dess styrsystem baserade på virtuell synkronisering med kraftverk för att utnyttja kraft från flera förnybara energikällor" som en del av miljöministeriets budgetprojekt 2019–2021 för Low Carbon Technology Forskning, utveckling och demonstrationsprogram. Detta arbete utfördes i samarbete med Pacific Power Co., Ltd., Energy &Environment Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology och Pacific Consultants Co., Ltd.

Utvecklingsbakgrund

I oktober 2020 deklarerade den japanska regeringen målet att uppnå koldioxidneutralitet till 2050 och, i syfte att förverkliga ett koldioxidfritt samhälle, främjar den användningen av solenergi, vindkraft och andra former av förnybar energi som huvudsakliga kraftkällor. Den sjätte strategiska energiplanen, som godkändes av regeringen den 22 oktober 2021, säger att "för att utnyttja distribuerade energiresurser såsom förnybar energi och kraftvärme i lokala samhällen, hoppas vi att få se skapandet av mikronät och annan självförsörjande och distribuerad energi system, som också kommer att bidra till effektiv energianvändning genom lokal produktion för lokal konsumtion, stärka motståndskraften etc.", vilket indikerar växande förväntningar på mikronät (Figur 1) som kan ge självförsörjning med ström vid avbrott på grund av katastrofer.

Utomlands, förutom att ta itu med miljöfrågor, har det funnits flera projekt i asiatiska och afrikanska länder för att bygga mikronät som använder förnybar energi och lagringsbatterier som kommer att leverera el till områden där elnäten är outvecklade (områden utanför nätet). Från och med 2015 översteg den globala mikronätkapaciteten 12 000 megawatt, och ytterligare expansion förväntas i framtiden.

I ett konventionellt bulkkraftsystem, även i händelse av fluktuationer i efterfrågan eller produktion av förnybar energi, undertrycker trögheten (egenskapen som försöker upprätthålla ett tillstånd) hos roterande kroppar som turbiner som används för termisk kraftgenerering snabba förändringar i systemets frekvens, därmed upprätthålla en stabil strömförsörjning. Men om förnybar energi blir den huvudsakliga kraftkällan i framtiden och det finns ett minskat förhållande mellan kraftkällor såsom termisk kraftproduktion som använder stora turbiner, kommer det att finnas mindre tröghetskraft från roterande kroppar, vilket kan påverka stabiliteten hos elektriska strömförsörjning. Uppskattade kostnader för åtgärder för att hantera en sådan tröghetsbrist varierar från 5,1 till 12,9 miljarder yen per år om andelen förnybar energi i bulkkraftsystemet blir 50–60 %.

Sol- och vindkraft antas vara de viktigaste kraftkällorna i mikronät, som är småskaliga energisystem jämfört med bulkkraftsystem. Mängden el som genereras varierar beroende på vädret, och det finns ingen koppling till värmekraftverk som använder stora turbiner. Som ett resultat kommer strömförsörjningsinstabilitet på grund av brist på tröghet att bli ännu mer uttalad. För att säkerställa mikronätstabilitet kommer det därför att vara viktigt att utveckla teknologier för att kompensera för bristande tröghet och stabilisera strömförsörjning, och att demonstrera dessa tekniker och använda dem så snart som möjligt.

Teknikens funktioner

Toshiba utvecklade en prototyp av GFM-växelriktare som ger syntetisk tröghet och undertrycker fluktuationerna i nätfrekvensen i distributionssystem även när fluktuationer i strömförsörjning eller effektbehov uppstår (Figur 2) och visade dess effektivitet. Toshiba har implementerat en styralgoritm för GFM-växelriktaren i batterienergilagringssystem istället för konventionell styralgoritm utan tröghet, och när det finns snabba fluktuationer i förnybar energiproduktion eller effektbehov, matar växelriktaren ut ström och genererar en syntetisk tröghet för att upprätthålla nätet frekvens. Detta undertrycker omedelbart plötsliga fall i frekvens, vilket ger en stabil strömförsörjning.

Toshiba hade också genomfört en verifiering av denna växelriktare implementerad i ett simulerat mikronät. Det simulerade mikronätet antog nätfrekvensen på 50 Hz (nätfrekvensen som används i östra Japan) och en 40 % förnybar energihastighet, som kombinerar fem batterienergilagringssystem (20 kW kapacitet, 14,9 kWh batterikapacitet) utrustade med GFM-växelriktare, en diesel synkron generator (125 kVA klassificering) med en förbränningsmotor och två belastningsbanker som används för att variera effektbelastningen. I den verifieringen visades det att under belastningsfluktuationer på 50 kW undertrycktes nätfrekvensreduktioner med 70 %, från 2,4 Hz (50,0 till 47,6 Hz) till 0,6 Hz (50,0 Hz till 49,4 Hz). Frekvenströskeln för avbrott i strömförsörjningen på grund av fluktuationer i nätfrekvensen i östra Japan är satt till 48,5 Hz, och verifieringar med faktisk utrustning säkerställde att frekvensen inte föll under detta tröskelvärde, vilket visar realiseringen av en stabil strömförsörjning som undviker strömavbrott. Detta är världens första demonstration av parallelldrift av en synkron dieselgenerator och växelriktare.

För att verifiera effekterna av GFM-växelriktaren i ett tillstånd som liknar verkliga förhållanden, genomförde Toshiba ett verifieringstest med endast ett solcellsenergisystem (20 kW-klassificering) och en dieselsynkrongenerator (125 kVA-klassning) utrustad med en GFM-växelriktare istället för att använda batterienergilagringssystem utrustade med en GFM-växelriktare. I denna verifiering visades det att minskningen av nätfrekvensen undertrycktes med cirka 30 %, från 1 Hz (50,0 till 49,0 Hz) till 0,7 Hz (50,0 till 49,3 Hz) när belastningsfluktuationen var 20 kW (Figur 3). I konfigurationen i kombination med energilagringssystemen verifierade vi också effekten av att undertrycka minskningen av nätfrekvensen med 70 %, från 2,2 Hz (50,1 till 47,9 Hz) till 0,6 Hz (50,2 till 49,6 Hz), både vid urladdning av lagringsbatterier och när du laddar dem (Figur 4). Detta förväntas bidra till nätstabilitet vid laddning av elfordon. Toshiba verifierade också att momentan belastning på GFM-växelriktaren kan minskas med 30 %, från 22 till 16 kW, genom att välja en tröghet som är lämplig för parallelldrift av synkrona generatorer med förbränningsmotorer, som de som förväntas användas i ett mikronät (Figur 5).

För att förverkliga ett avkarboniserat samhälle till 2050, har den japanska regeringen formulerat sin "Regional Decarbonization Roadmap" för att utveckla åtgärder genom samarbete och samskapande mellan nationella och lokala myndigheter, och har angett en policy för "förverkligande av koldioxidfria, robusta och levande samhällen över hela landet, utan att vänta på 2050." Med syftet att använda GFM-växelriktaren som utvecklats för mikronät, kommer Toshiba att fortsätta att engagera sig i forskning, utveckling och demonstrationer för tidig kommersialisering. + Utforska vidare

Simulering av nätbildande växelriktares roll i framtidens elnät