Toshiba Corporation ha dimostrato l'efficacia del suo inverter grid-forming (GFM), sviluppato per garantire la stabilità delle microgrid. Una microrete è un tipo di sistema energetico distribuito che consente l'autosufficienza regionale per l'energia elettrica attraverso l'uso di energia rinnovabile, piuttosto che fare affidamento sull'alimentazione da centrali elettriche su larga scala. Quando si verifica un'improvvisa fluttuazione nell'uscita o nella richiesta di energia elettrica, una frequenza normalmente stabile può fluttuare drasticamente, eventualmente attivando un relè di protezione e interrompendo l'alimentazione, causando interruzioni di corrente. In particolare, all'aumentare della quota di energia rinnovabile, aumentano le fluttuazioni della frequenza di rete. In particolare, le fluttuazioni di frequenza aumenteranno con l'aumento dei rapporti di energia rinnovabile, quindi l'uso diffuso delle microgrid richiederà tecnologie per mantenere una frequenza di rete stabile.

Nel marzo 2022, Toshiba ha sviluppato un inverter GFM in grado di mantenere la frequenza di rete dei sistemi di distribuzione fornendo pseudo-inerzia attraverso la potenza in uscita dall'inverter quando la frequenza di rete fluttua rapidamente. L'azienda ha ora verificato i risultati dell'utilizzo degli inverter GFM in un ambiente simile agli ambienti reali, compreso l'uso effettivo di energia rinnovabile, e ha dimostrato che il montaggio di inverter GFM sui generatori di energia fotovoltaica sopprime le diminuzioni della frequenza di rete di circa il 30%.

Toshiba prevede di presentare i dettagli di questi risultati alla Conferenza annuale della Power and Energy Society dell'Institute of Electrical Engineers of Japan nel settembre 2022 e all'IEEE Energy Conversion Congress and Exposition del 2022 (ECCE2022) nell'ottobre 2022.

Toshiba ha commissionato questa ricerca nell'ambito del progetto "The Smart Synchronous Inverter (SSI) and its control systems based on virtual sync with power girds to using power from multiple fonti energetiche rinnovabili" nell'ambito del progetto fiscale 2019-2021 del Ministero dell'Ambiente per la tecnologia a basse emissioni di carbonio Programma di ricerca, sviluppo e dimostrazione. Questo lavoro è stato condotto in collaborazione con Pacific Power Co., Ltd., Energy &Environment Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology e Pacific Consultants Co., Ltd.

Sfondo di sviluppo

Nell'ottobre 2020, il governo giapponese ha dichiarato l'obiettivo di raggiungere la carbon neutrality entro il 2050 e, con l'obiettivo di realizzare una società decarbonizzata, sta promuovendo l'uso dell'energia solare, dell'eolico e di altre forme di energia rinnovabile come principali fonti di energia. Il Sesto Piano Energetico Strategico, approvato dal Consiglio dei Ministri il 22 ottobre 2021, afferma che "per utilizzare le risorse energetiche distribuite come le energie rinnovabili e la cogenerazione nelle comunità locali, speriamo di vedere la creazione di microgrid e altra energia autosufficiente e distribuita sistemi, che contribuiranno anche a un uso efficiente dell'energia attraverso la produzione locale per il consumo locale, rafforzeranno la resilienza, ecc.", indicando aspettative crescenti per le microgrid (Figura 1) in grado di fornire l'autosufficienza energetica in caso di interruzioni dovute a disastri.

All'estero, oltre ad affrontare le questioni ambientali, ci sono stati numerosi progetti nei paesi asiatici e africani per costruire microgrid che utilizzano energia rinnovabile e batterie di accumulo che forniranno elettricità alle aree in cui le reti elettriche non sono sviluppate (aree off-grid). A partire dal 2015, la capacità della microrete mondiale ha superato i 12.000 megawatt e in futuro è prevista un'ulteriore espansione.

In un sistema di alimentazione di massa convenzionale, anche in caso di fluttuazioni della domanda o della produzione di energia rinnovabile, l'inerzia (la proprietà che cerca di mantenere uno stato) di corpi rotanti come le turbine utilizzate per la produzione di energia termica sopprimono i rapidi cambiamenti nella frequenza del sistema, mantenendo così un'alimentazione stabile. Tuttavia, se l'energia rinnovabile diventa la principale fonte di energia in futuro e c'è un rapporto ridotto di fonti di energia come la generazione di energia termica che utilizzano grandi turbine, allora ci sarà una minore forza d'inerzia dai corpi rotanti, che potrebbero influenzare la stabilità dell'energia elettrica Alimentazione elettrica. I costi stimati per le misure per far fronte a tale carenza di inerzia vanno da 5,1 a 12,9 miliardi di yen all'anno se il rapporto tra energia rinnovabile nel sistema di alimentazione di massa diventa 50%–60%.

Si presume che l'energia solare ed eolica siano le principali fonti di energia nelle microgrid, che sono sistemi energetici su piccola scala rispetto al sistema di alimentazione di massa. La quantità di energia generata varia a seconda delle condizioni meteorologiche e non vi è alcun collegamento a centrali termiche che utilizzano grandi turbine. Di conseguenza, l'instabilità dell'alimentazione dovuta alla mancanza di inerzia sarà ancora più pronunciata. Per garantire la stabilità della microrete, sarà quindi essenziale sviluppare tecnologie per compensare la mancanza di inerzia e stabilizzare gli alimentatori, e dimostrare queste tecnologie e metterle in pratica il prima possibile.

Caratteristiche della tecnologia

Toshiba ha sviluppato un prototipo di inverter GFM che fornisce inerzia sintetica e sopprime le fluttuazioni della frequenza di rete nei sistemi di distribuzione anche quando si verificano fluttuazioni nell'alimentazione o nella domanda di potenza (Figura 2) e ne ha dimostrato l'efficacia. Toshiba ha implementato un algoritmo di controllo dell'inverter GFM nei sistemi di accumulo dell'energia della batteria invece dell'algoritmo di controllo convenzionale senza inerzia e quando si verificano rapide fluttuazioni nella produzione di energia rinnovabile o nella richiesta di potenza, l'inverter emette potenza e genera un'inerzia sintetica per mantenere la rete frequenza. Questo sopprime istantaneamente i cali improvvisi di frequenza, realizzando un'alimentazione stabile.

Toshiba aveva anche condotto una verifica di questo inverter implementato in una microgrid simulata. La microrete simulata assumeva una frequenza di rete di 50 Hz (la frequenza di rete utilizzata nel Giappone orientale) e un tasso di energia rinnovabile del 40%, combinando cinque sistemi di accumulo di energia della batteria (20 kW nominali, 14,9 kWh di capacità della batteria) dotati di inverter GFM, un diesel generatore sincrono (classe 125 kVA) con motore a combustione interna e due banchi di carico utilizzati per variare il carico di potenza. In tale verifica è stato dimostrato che in presenza di fluttuazioni di carico di 50 kW, le riduzioni della frequenza di rete sono state soppresse del 70%, da 2,4 Hz (da 50,0 a 47,6 Hz) a 0,6 Hz (da 50,0 Hz a 49,4 Hz). La soglia di frequenza per le interruzioni dell'alimentazione dovute alle fluttuazioni della frequenza di rete nel Giappone orientale è fissata a 48,5 Hz e le verifiche sull'utilizzo di apparecchiature reali hanno assicurato che la frequenza non scendesse al di sotto di questa soglia, dimostrando la realizzazione di un'alimentazione stabile che evita interruzioni di corrente. Questa è la prima dimostrazione al mondo del funzionamento in parallelo di un generatore sincrono diesel e di un inverter.

Per verificare gli effetti dell'inverter GFM in uno stato simile alle condizioni del mondo reale, Toshiba ha condotto un test di verifica utilizzando un solo sistema di energia solare fotovoltaico (classe 20 kW) e un generatore sincrono diesel (classificazione 125 kVA) dotato di un inverter GFM , invece di utilizzare i sistemi di accumulo dell'energia a batteria dotati di inverter GFM. In questa verifica è stato dimostrato che la diminuzione della frequenza di rete è stata soppressa di circa il 30%, da 1 Hz (da 50,0 a 49,0 Hz) a 0,7 Hz (da 50,0 a 49,3 Hz) quando la fluttuazione del carico era di 20 kW (Figura 3). Nella configurazione abbinata ai sistemi di accumulo di energia abbiamo anche verificato l'effetto di soppressione della diminuzione della frequenza di rete del 70%, da 2,2 Hz (da 50,1 a 47,9 Hz) a 0,6 Hz (da 50,2 a 49,6 Hz), sia in fase di scarica degli accumulatori che durante la ricarica (Figura 4). Ciò dovrebbe contribuire alla stabilità della rete durante la ricarica dei veicoli elettrici. Toshiba ha inoltre verificato che il carico istantaneo sull'inverter GFM può essere ridotto del 30%, da 22 a 16 kW, selezionando un'inerzia idonea al funzionamento in parallelo di generatori sincroni con motori a combustione interna, come quelli che dovrebbero essere utilizzati in una microrete (Figura 5).

Per realizzare una società decarbonizzata entro il 2050, il governo giapponese ha formulato la sua "roadmap regionale per la decarbonizzazione" per lo sviluppo di misure attraverso la collaborazione e la co-creazione tra i governi nazionali e locali e ha indicato una politica per "realizzare comunità decarbonizzate, solide e vivaci in tutto il paese, senza aspettare il 2050". Con l'obiettivo di utilizzare l'inverter GFM sviluppato per le microgrid, Toshiba continuerà a impegnarsi in ricerca, sviluppo e dimostrazioni per la commercializzazione precoce. + Esplora ulteriormente

Simulazione del ruolo degli inverter grid-forming nella futura rete elettrica