Un equipo de investigación conjunto del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) y la Universidad Estatal de Carolina del Norte ha aclarado los principios fundamentales para lograr la sincronización de los grupos de generadores de energía en las redes eléctricas. que es esencial para el suministro estable de energía eléctrica. Basado en este principio, El equipo desarrolló un método para construir un modelo agregado de una red eléctrica que puede analizar y controlar de manera eficiente el comportamiento de los grupos de generadores (incluidos los ángulos de fase del rotor y los voltajes de los puntos de conexión) con una conexión compleja a una red eléctrica.

Se sabe que el fenómeno de sincronización de grupos de generadores, como en múltiples centrales térmicas, está estrechamente relacionado con el suministro estable de energía eléctrica. Específicamente, si un generador no está sincronizado, que el generador y los generadores que lo rodean no podrán funcionar de manera estable, y en el peor de los casos, Pueden ocurrir accidentes graves como cortes de energía.

Además, Los problemas energéticos causados ​​por el calentamiento global y el agotamiento de los combustibles fósiles se han agravado a escala global. Por lo tanto, desde el punto de vista de la reducción del dióxido de carbono y el uso sistemático de la energía, Se han depositado grandes expectativas en las energías renovables, como la tipificada por la generación fotovoltaica (FV). Cuando se introducen equipos de generación fotovoltaica a gran escala y equipos de almacenamiento de energía, además de la generación de energía, como la energía térmica utilizada convencionalmente, energía hidráulica y energía nuclear, Es necesario considerar la carga y descarga de energía mediante baterías de almacenamiento y salida generadas por energía fotovoltaica para mantener el equilibrio entre la oferta y la demanda. Sin embargo, la cantidad de energía de la generación fotovoltaica fluctúa debido a que existe incertidumbre relacionada con los cambios en el clima y los cambios en el volumen de radiación solar según la zona horaria. Esto hace que sea más difícil mantener la sincronización de los grupos de generadores. La necesidad de analizar la sincronización es mayor que nunca.

Con análisis convencional, un enfoque principal se basa en la simulación numérica. No existen estudios que aclaren teóricamente los principios básicos de cómo sincronizar adecuadamente los grupos de generadores de acuerdo con la estructura de la red de transmisión de energía. Existe una necesidad urgente de construir un marco de suministro y demanda de energía que utilice de manera eficiente los equipos de almacenamiento de energía para permitir la incertidumbre de la generación fotovoltaica y las predicciones de la demanda.

Resumen de los logros de la investigación

Profesor asistente Takayuki Ishizaki, Profesor Jun-ichi Imura de Tokyo Tech, y la profesora asociada Aranya Chakrabortty del NSF ERC FREEDM System Center en la Universidad Estatal de Carolina del Norte trabajaron en múltiples estudios, incluido el modelado de redes eléctricas, análisis de estabilidad, y control de estabilización desde la perspectiva de la teoría de grafos. Han aclarado que la simetría de la red en teoría de grafos es el principio fundamental para realizar la sincronización de grupos generadores en centrales térmicas integradas con redes eléctricas (conectadas a una red).

El comportamiento de los generadores conectados a través de una red en una red eléctrica está representado por ecuaciones complejas (ecuaciones algebraicas diferenciales) que combinan ecuaciones diferenciales y ecuaciones algebraicas. Las ecuaciones diferenciales expresan el "comportamiento de los generadores" derivado de la segunda ley de movimiento de Newton, y las ecuaciones algebraicas expresan "equilibrio de poder en los puntos de conexión de la red eléctrica" ​​derivado de la ley de Ohm y la ley de Kirchhoff. El análisis de estas ecuaciones algebraicas diferenciales se realizó generalmente mediante la transformación en una ecuación diferencial matemáticamente equivalente a través de un método de simplificación llamado reducción de Kron. Sin embargo, dado que la ecuación algebraica que representa la red eléctrica se elimina eliminando la variable redundante que representa el voltaje del punto de conexión, no era adecuado para analizar la relación entre la estructura de la red de la red eléctrica y el comportamiento del generador.

Para resolver este problema, analizaron la estructura de la red de la red eléctrica contenida en las ecuaciones algebraicas desde el punto de vista de la simetría basado en una comprensión de la teoría de grafos. Específicamente, analizando el comportamiento del generador sin eliminar las ecuaciones algebraicas, descubrieron que la simetría de la red eléctrica (Figura 1) es el principio básico para realizar la sincronización de los grupos generadores. Además, basado en una nueva idea de integrar simultáneamente grupos generadores que muestran un comportamiento sincrónico y la red eléctrica que los acopla, se hizo posible construir matemática y físicamente un modelo agregado factible (Figura 2).

Se espera que este logro dé como resultado una base para desarrollar métodos de análisis y control para lograr un suministro de energía estable a sistemas de energía eléctrica grandes y complejos. En el futuro, El profesor Imura dice que su objetivo es desarrollar sistemas de energía eléctrica más complejos, incluidos convertidores, y establecer una teoría para aproximar la sincronización de grupos generadores.

El resultado de esta investigación fue publicado en Actas del IEEE el 25 de abril 2018.