Una rete elettrica composta da quattro generatori e sei bus (punti di connessione). I Generatori 1 e 2 e i Bus 1 e 2 a cui sono collegati diventano una rete simmetrica per il Bus 5. Analogamente, I generatori 3 e 4 e i bus 3 e 4 diventano simmetrici per il bus 6. I due insiemi di gruppi di generatori e bus simmetrici sono mostrati come cluster 1 e 2. Credito: Atti dell'IEEE
Un gruppo di ricerca congiunto del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) e della North Carolina State University ha chiarito i principi fondamentali per ottenere la sincronizzazione dei gruppi di generatori di energia nelle reti elettriche, che è essenziale per la fornitura stabile di energia elettrica. Sulla base di questo principio, il team ha sviluppato un metodo per costruire un modello aggregato di una rete elettrica in grado di analizzare e controllare in modo efficiente il comportamento dei gruppi di generatori (compresi gli angoli di fase del rotore e le tensioni dei punti di connessione) con connessione complessa a una rete elettrica.
È noto che il fenomeno della sincronizzazione dei gruppi elettrogeni come in più centrali termiche è strettamente correlato alla fornitura stabile di energia elettrica. Nello specifico, se un generatore non è sincronizzato, quel generatore e i suoi generatori circostanti non saranno in grado di funzionare stabilmente, e nei casi peggiori, possono verificarsi incidenti gravi come interruzioni di corrente.
Inoltre, i problemi energetici causati dal riscaldamento globale e dall'esaurimento dei combustibili fossili sono diventati più gravi su scala globale. Perciò, dal punto di vista della riduzione dell'anidride carbonica e dell'uso sistematico dell'energia, grandi aspettative sono state riposte sull'energia rinnovabile come quella caratterizzata dalla generazione fotovoltaica (PV). Quando vengono introdotte apparecchiature di generazione FV su larga scala e apparecchiature di accumulo di energia, oltre alla generazione di energia come l'energia termica utilizzata convenzionalmente, energia idraulica e nucleare, è necessario considerare la carica e la scarica di potenza dall'uscita generata dal fotovoltaico e dagli accumulatori al fine di mantenere l'equilibrio tra domanda e offerta. Però, la quantità di energia prodotta dalla produzione fotovoltaica fluttua poiché vi è incertezza relativa ai cambiamenti del tempo e ai cambiamenti nel volume della radiazione solare in base al fuso orario. Ciò rende più difficile mantenere la sincronizzazione dei gruppi di generatori. La necessità di analizzare la sincronizzazione è più grande che mai.
Con l'analisi convenzionale, un approccio importante si basa sulla simulazione numerica. Non esistono studi che chiariscano teoricamente i principi di base su come sincronizzare correttamente i gruppi elettrogeni in base alla struttura della rete di trasmissione di potenza. C'è un urgente bisogno di costruire un quadro della domanda e dell'offerta di energia che utilizzi in modo efficiente le apparecchiature di accumulo dell'energia per tenere conto dell'incertezza della generazione fotovoltaica e delle previsioni della domanda.
Cluster sincronizzato di un modello aggregato ottenuto integrando contemporaneamente i due insiemi di gruppi generatori simmetrici e gruppi bus (punto di connessione) in Figura 1. Secondo la legge di Ohm e la legge di Kirchhoff, è un modello aggregato matematicamente e fisicamente fattibile. Credito: Atti dell'IEEE
Panoramica dei risultati della ricerca
Professore assistente Takayuki Ishizaki, Professor Jun-ichi Imura di Tokyo Tech, e il Professore Associato Aranya Chakrabortty del NSF ERC FREEDM System Center presso la North Carolina State University hanno lavorato su numerosi studi tra cui la modellazione della rete elettrica, analisi di stabilità, e controllo di stabilizzazione dal punto di vista della teoria dei grafi. Hanno chiarito che la simmetria della rete nella teoria dei grafi è il principio fondamentale per realizzare la sincronizzazione dei gruppi elettrogeni nelle centrali termiche integrate con le reti elettriche (collegate a una rete).
Il comportamento dei generatori collegati in rete in una rete elettrica è rappresentato da equazioni complesse (equazioni algebriche differenziali) che combinano equazioni differenziali ed equazioni algebriche. Le equazioni differenziali esprimono il "comportamento dei generatori" derivato dalla seconda legge del moto di Newton, e le equazioni algebriche esprimono il "bilancio di potenza nei punti di connessione alla rete elettrica" derivato dalla legge di Ohm e dalla legge di Kirchhoff. L'analisi di queste equazioni algebriche differenziali è stata generalmente eseguita mediante trasformazione in un'equazione differenziale matematicamente equivalente attraverso un metodo di semplificazione chiamato riduzione di Kron. Però, poiché l'equazione algebrica che rappresenta la rete elettrica viene eliminata eliminando la variabile ridondante che rappresenta la tensione del punto di connessione, non era adatto per analizzare la relazione tra la struttura di rete della rete elettrica e il comportamento del generatore.
Per risolvere questo problema, hanno analizzato la struttura di rete della rete elettrica contenuta nelle equazioni algebriche dal punto di vista della simmetria basata su una comprensione della teoria dei grafi. Nello specifico, analizzando il comportamento del generatore senza eliminare le equazioni algebriche, hanno scoperto che la simmetria della rete elettrica (Figura 1) è il principio base per realizzare la sincronizzazione dei gruppi elettrogeni. Inoltre, basato su una nuova idea di integrare simultaneamente gruppi di generatori che mostrano un comportamento sincrono e la rete elettrica che li accoppia, è diventato possibile costruire matematicamente e fisicamente un modello aggregato fattibile (Figura 2).
Si prevede che questo risultato costituirà una base per lo sviluppo di metodi di analisi e controllo per realizzare un'alimentazione stabile a sistemi di alimentazione elettrica grandi e complessi. Nel futuro, Il professor Imura afferma che mira a sviluppare sistemi di alimentazione elettrica più complessi, inclusi convertitori, e stabilire una teoria per approssimare la sincronizzazione dei gruppi generatori.
Questo risultato della ricerca è stato pubblicato in Atti dell'IEEE il 25 aprile 2018.
