Biến tần hát thể hiện sự hài hòa về điện cho hệ thống năng lượng tái tạo
Giống như âm nhạc, lưới điện nói ngôn ngữ của các rung động và tần số. Các kỹ sư của NREL đã tiến thêm một bước tương tự bằng cách lập trình các bộ biến tần để hát các bài hát nổi tiếng. Nguồn: Brittany Conrad, NREL
Đứng giữa các mảng năng lượng mặt trời và thiết bị lưới điện tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), bạn có thể nghe thấy một giai điệu yếu ớt, méo mó vang lên từ đâu đó. Bạn không bị ảo giác đâu—chiếc hộp màu xám đó thực sự đang hát Chủ đề Chiến tranh giữa các vì sao, hoặc bài hát xe bán kem, hoặc điệu Waltz cung La thứ của Chopin. Các kỹ sư hệ thống điện đang vui vẻ với khả năng NREL giúp ngăn ngừa các vấn đề về độ ổn định trên lưới điện.
Thông thường, các kỹ sư gửi một loại dạng sóng khác qua bộ biến tần và dãy tải: megawatt công suất và điện áp dao động ở nhiều tần số. Mục đích nghiên cứu của họ là để xem các thiết bị năng lượng và lưới điện tương tác với nhau như thế nào—để giúp chúng "đồng điệu" và ngăn chặn các dao động điện nguy hiểm xuất hiện như phản hồi có tiếng rít hoặc âm trầm phụ đang bùng nổ.
Các kỹ sư có thể thực hiện phân tích này với độ chính xác cao với phần cứng NREL bằng cách sử dụng hệ thống đo trở kháng tiên tiến của phòng thí nghiệm và họ cũng đã sản xuất một phần mềm thương mại có tên là Công cụ quét trở kháng lưới hoặc GIST có thể thực hiện tương tự với nguồn mô phỏng trên các mẫu thiết bị, cho phép bất kỳ nhà sản xuất hoặc nhà điều hành lưới nào để chứng nhận sự ổn định của lưới điện với các nguồn năng lượng tái tạo.
"Những khả năng độc đáo này có thể kích thích tua-bin gió, bộ biến tần PV và tất cả thiết bị mới này ở các tần số khác nhau để hiểu liệu chúng có thân thiện với lưới điện hay sẽ gây ra một số gián đoạn", Shahil Shah, trưởng dự án và nhà phát triển của GIST cho biết.
Sự ổn định trong G lớn
Giống như âm nhạc, điện được tạo thành từ các sóng tương tác để tạo ra sự hài hòa và biến dạng. Trong khi âm nhạc kéo dài khoảng 10 quãng tám, 20 quãng tám được sử dụng bởi các hệ thống điện với các thiết bị như nhà máy năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Điều này tạo ra nhiều khoảng trống cho các tín hiệu chồng chéo, cộng hưởng và khuếch đại. Điều này đôi khi xảy ra trên hệ thống điện và dường như đang xảy ra nhiều hơn khi các máy phát điện quay tròn bị thay thế bởi các thiết bị điện tử công suất như bộ biến tần gió và mặt trời. Khi các dao động bất thường xảy ra, chúng có thể làm hỏng các bộ phận hoặc gây ra sự cố toàn bộ hệ thống điện.
"Năng lượng mặt trời và gió tạo ra nhiều dao động giống như cấu trúc cơ học, nhưng chúng ta không nhìn thấy chúng. Điều này có thể tạo ra hành vi gây rối và nó đã xảy ra trên toàn thế giới trong các hệ thống điện có mức độ tái tạo cao", Shah nói.
Tính ổn định rất phức tạp vì thiết kế lưới điện ở mỗi hệ thống là khác nhau, chẳng hạn như việc thêm một nhà máy năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời mới giống như đưa một nhạc sĩ mới vào một nhóm trực tiếp mà không cung cấp cho họ bản nhạc—họ có thể bị lạc nốt bất kể lành nghề như thế nào.
Đối với các đối tác trong ngành, NREL cung cấp chính xác khả năng đó: đặt một thiết bị vào môi trường lưới thực của nó và xem nó "âm thanh" như thế nào. Cơ sở hạ tầng năng lượng cao của NREL có thể mô phỏng bất kỳ lưới điện nào cho các công nghệ của đối tác và có thể đo lường chặt chẽ phản ứng của công nghệ.
Przemek Koralewicz, nhà đồng phát triển của GIST cho biết: “Chúng tôi phát triển các công cụ cho phép chúng tôi chuyển đổi nhanh chóng giữa các tần số mà chúng tôi đang đưa vào lưới điện. "Và để tạo ra âm nhạc, chúng tôi sử dụng chính xác các công cụ giống nhau."
Dải tần số của các thành phần lưới mở rộng ra ngoài tần số hoạt động danh nghĩa là 50 hoặc 60 Hz. Khi các thành phần và điều khiển lưới dao động ngoài phạm vi dự kiến, các vấn đề nghiêm trọng về độ ổn định có thể xảy ra. Tín dụng: Taylor Henry, NREL
Giống như bộ biến tần đang hát, các tấm pin mặt trời, tua-bin gió hoặc pin của đối tác sẽ hoạt động theo tần số của lưới điện. Trong bản giao hưởng megawatt này, các kỹ sư có thể xác định và điều chỉnh nơi hệ thống đang rung động nguy hiểm.
Khi ngày càng nhiều nhà khai thác lưới điện nhấn mạnh vào các đánh giá độ ổn định sơ bộ cho các kết nối thiết bị mới, thì các cuộc biểu tình về sức mạnh thực sự đang trở nên quan trọng hơn. Nhưng không phải mọi nhà điều hành lưới điện hoặc nhà sản xuất thiết bị đều có thể truy cập vào môi trường nghiên cứu tiên tiến của NREL cho các hệ thống năng lượng để xác thực kết nối của chúng. Một giải pháp thay thế có thể là lập mô hình hệ thống, nhưng các mô hình có độ trung thực cao như vậy thường không có sẵn ở định dạng mở, minh bạch—không dành cho thiết bị cũng như lưới điện.
Thay vào đó, các kỹ sư của NREL đã phát minh ra một giải pháp thay thế để kiểm tra độ ổn định mà không cần gì khác ngoài phần mềm máy tính để bàn và các mẫu hộp đen thường có sẵn không tiết lộ tài sản trí tuệ của các nhà cung cấp gió và PV.
Phần mềm dễ dàng kiểm tra ổn định lưới điện
Phần mềm GIST của NREL cho thấy rằng các mô hình thiết bị chi tiết không thực sự cần thiết; loại hộp đen sẽ hoạt động tốt. GIST chỉ đo lường độ ổn định kết hợp của các thiết bị tương tác và đối với điều đó, bất kỳ mô hình nào nắm bắt được hành vi của thiết bị tại các thiết bị đầu cuối của nó sẽ làm được. Tính linh hoạt này cho phép người dùng thử nghiệm nhiều loại thiết bị hơn, vượt qua mọi rào cản để đánh giá độ ổn định
Công cụ quét trở kháng lưới (GIST) nằm giữa các kiểu thiết bị và lưới điện, cho phép người dùng quét động lực học tần số và xác định nơi có thể phát sinh các vấn đề về độ ổn định không mong muốn. Tín dụng: Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia
Vì sự ổn định của lưới điện là một kết quả tập thể—sự hài hòa của các thiết bị và lưới điện—nên nó phải được đánh giá tại các điểm giao nhau giữa hai yếu tố này. GIST thực hiện điều này bằng cách giao tiếp giữa các mô hình thiết bị và lưới điện: một bên là thiết bị, một bên là lưới điện. Sau đó, phần mềm sẽ đưa vào mô hình kết hợp các tần số để xem hệ thống phản hồi như thế nào. Điều này được gọi là quét trở kháng.
Quá trình quét GIST có thể mất từ vài phút đến vài giờ, tùy thuộc vào kích thước của hệ thống và số lượng thiết bị điện tử công suất và nó có thể đánh giá nhiều thiết bị song song. Trong thực tế, người dùng sẽ quét tại nhiều điểm khác nhau trên toàn mạng để có được cái nhìn đầy đủ về độ ổn định động. Hiện tại GIST có sẵn theo giấy phép và đang được áp dụng trong một số quan hệ đối tác nghiên cứu.
Phần mềm này đặc biệt hữu ích để xác thực các điều khiển hình thành lưới điện, cho phép các nguồn năng lượng tái tạo mang lại sự ổn định giống như cách mà các máy phát điện quay truyền thống có. Việc tìm kiếm sự kết hợp phù hợp giữa các thiết bị tạo lưới và theo sau lưới sẽ sớm làm bận tâm đến các tiện ích và nhà vận hành hệ thống ở khắp mọi nơi và GIST có thể giúp xác định xem liệu một hỗn hợp nhất định có thực sự ổn định hay không. GIST cũng sẽ bổ sung cho nỗ lực hợp tác rộng rãi của NREL để phát triển các điều khiển tạo lưới thông qua tập đoàn UNIFI bằng cách cung cấp một công cụ để các nhà nghiên cứu đánh giá nhanh các công nghệ mới và kiến trúc hệ thống.
Bộ biến tần của NREL dường như đang hát theo giai điệu của riêng chúng, nhưng đó thực sự là giai điệu của sự ổn định lưới điện rộng. Khi những bài hát đáng nhớ vang lên qua thiết bị điện tử công suất của phòng thí nghiệm, khách tham quan được nhắc nhở rằng tần số lưới cũng hài hòa hoặc chói tai, chói tai hoặc du dương. Để đảm bảo rằng năng lượng tái tạo có mức tăng trưởng mượt mà trên các hệ thống điện, các đối tác có thể chuyển sang các công cụ phần mềm và thử nghiệm NREL.
