Forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) har lärt sig mycket om hur man på ett tillförlitligt sätt integrerar stora mängder vind- och solkraft på nätet – men det finns några enastående utmaningar.

En sådan utmaning är att se till att nätet är skyddat om det finns ett fel, till exempel en kortslutning. I en ny guidebok och förklarande video förklarar NREL hur man löser denna utmaning och upprätthåller kraftsystemskyddet med högre nivåer av förnybar energi i framtidens elnät.

Nästa utmaning att ta sig an efter tröghet

Inom elkraftssektorn har det gjorts stora ansträngningar för att förstå hur nätplanering och drift kan förändras med storskalig användning av resurser som vind- och solcellsenergi (PV), som använder växelriktare istället för synkrona generatorer i konventionella kraftverk.

Den tillhörande nedgången i kraftsystemets tröghet hade ansetts utgöra en stor utmaning för att upprätthålla ett tillförlitligt framtida kraftsystem. 2020 motverkade NREL detta genom att släppa en video och en guide som förklarar kraftsystemets tröghet när det gäller att hålla lamporna tända.

Dessa delar beskrev hur även om tillväxten i växelriktarbaserade resurser kommer att minska mängden tröghet på nätet, finns det flera befintliga eller möjliga lösningar för att bibehålla eller till och med förbättra systemets tillförlitlighet – så nätplanerare och operatörer behöver inte panik.

Tröghet är dock bara en av flera utmaningar som måste åtgärdas när nätet utvecklas.

"Även om det inte har diskuterats så brett som tröghet, är felskydd en annan fråga att ta reda på när växelriktarbaserad generation fortsätter att växa", säger Paul Denholm, NREL-principal energianalytiker och huvudförfattare till båda guiderna. "Och vi har idéer om hur det kan lösas."

Vad är felskydd och varför spelar det någon roll?

Den vanligaste typen av fel är kortslutning. På elnätet kan kortslutningar uppstå, till exempel när två ledningar berörs, eller när ett träd berör en ledning. Detta gör att generatorerna producerar en stor våg av elektrisk ström. Detta kallas felström, och det kan leda till bränder och skada utrustning om det inte åtgärdas.

I dagens kraftsystem produceras felström mestadels av synkrona generatorer i fossila, kärnkrafts- och vattenkraftverk, som i sig kan producera stora mängder ström. Inverterteknik är dock vanligtvis inte utformad för att producera stora mängder felström – så i ett framtida nät med höga nivåer av solenergi och vind kan kraftsystemet behöva hitta nya sätt att tillhandahålla felskydd.

Rapporten ger hela historien

För att utbilda beslutsfattare och andra intresserade intressenter har NREL-forskare släppt Understanding Power Systems Protection in the Clean Energy Future, som ger en kort översikt över systemskydd och felström i upprätthållandet av ett säkert kraftsystem. Den beskriver varför alternativa tillvägagångssätt kan behövas med ökande utbyggnad av vind- och solenergi, och den tar upp olika tillvägagångssätt för att upprätthålla systemskyddet i det växande nätet.

"Det finns en rad alternativ som kan upprätthålla systemskyddet, inklusive några som är mycket väl förstådda och har en hög grad av säkerhet, som synkrona kondensorer", säger Ben Kroposki, chef för NREL:s Power Systems Engineering Center och medförfattare till guide. "Andra alternativ kan inkludera helt nya skyddssystem som inte är beroende av stor felström. Dessa är i tidigare utvecklingsstadier så de är mindre säkra, men de kan i slutändan ge samma eller till och med högre skyddsnivåer till en lägre kostnad. "

Så även om det råder föga tvivel om att framtida kraftsystem kan upprätthålla adekvat felskydd med ökad användning av förnybar energi, kvarstår betydande osäkerhet om vad som kommer att vara det bästa tillvägagångssättet.

"Den största utmaningen för att bestämma den kostnadsoptimala resursblandningen kan vara att förstå både behovet och kostnaderna för olika alternativ, som sannolikt kommer att variera avsevärt beroende på plats och mix av befintliga och framtida resurser", sa Denholm.

På NREL fortsätter vårt arbete, eftersom forskare söker svar på en utmaning i taget på vägen mot ett renare, mer prisvärt och mer motståndskraftigt nät.