Toshiba Corporation ha demostrado la eficacia de su inversor de formación de red (GFM), que se desarrolló para garantizar la estabilidad de las microrredes. Una microrred es un tipo de sistema de energía distribuida que permite la autosuficiencia regional de energía eléctrica mediante el uso de energía renovable, en lugar de depender del suministro de energía de plantas de energía a gran escala. Cuando hay una fluctuación repentina en la producción o la demanda de energía eléctrica, una frecuencia normalmente estable puede fluctuar drásticamente, lo que posiblemente active un relé de protección y corte el suministro de energía, lo que provocará cortes de energía. En particular, a medida que aumenta la participación de las energías renovables, aumentan las fluctuaciones en la frecuencia de la red. En particular, las fluctuaciones de frecuencia aumentarán con mayores proporciones de energía renovable, por lo que el uso generalizado de microrredes requerirá tecnologías para mantener una frecuencia de red estable.

En marzo de 2022, Toshiba desarrolló un inversor GFM que puede mantener la frecuencia de la red de los sistemas de distribución proporcionando pseudoinercia a través de la potencia de salida del inversor cuando la frecuencia de la red fluctúa rápidamente. La empresa ha verificado ahora los resultados del uso de inversores GFM en un entorno similar a los entornos reales, incluido el uso real de energía renovable, y ha demostrado que montar inversores GFM en generadores de energía fotovoltaica suprime las disminuciones en la frecuencia de la red en aproximadamente un 30 %.

Toshiba planea presentar los detalles de estos resultados en la Conferencia Anual de la Sociedad de Energía y Energía del Instituto de Ingenieros Eléctricos de Japón en septiembre de 2022 y en el Congreso y Exposición de Conversión de Energía IEEE de 2022 (ECCE2022) en octubre de 2022.

Toshiba encargó esta investigación bajo "El inversor síncrono inteligente (SSI) y sus sistemas de control basados ​​en la sincronización virtual con redes eléctricas para utilizar la energía de múltiples fuentes de energía renovable" como parte del Proyecto de tecnología de bajas emisiones de carbono del año fiscal 2019-2021 del Ministerio del Medio Ambiente. Programa de Investigación, Desarrollo y Demostración. Este trabajo se realizó en colaboración con Pacific Power Co., Ltd., Energy &Environment Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology y Pacific Consultants Co., Ltd.

Antecedentes de desarrollo

En octubre de 2020, el gobierno japonés declaró el objetivo de lograr la neutralidad de carbono para 2050 y, con el objetivo de lograr una sociedad descarbonizada, promueve el uso de la energía solar, la energía eólica y otras formas de energía renovable como principales fuentes de energía. El Sexto Plan Estratégico de Energía, aprobado por el Gabinete el 22 de octubre de 2021, establece que "para utilizar los recursos energéticos distribuidos, como la energía renovable y la cogeneración en las comunidades locales, esperamos ver la creación de microrredes y otras energías autosuficientes y distribuidas". sistemas, que también contribuirán al uso eficiente de la energía a través de la producción local para el consumo local, fortalecerán la resiliencia, etc.”, lo que indica expectativas crecientes para las microrredes (Figura 1) que pueden proporcionar autosuficiencia energética en apagones debido a desastres.

En el extranjero, además de abordar los problemas ambientales, ha habido múltiples proyectos en países asiáticos y africanos para construir microrredes utilizando energía renovable y baterías de almacenamiento que suministrarán electricidad a áreas donde las redes de energía eléctrica no están desarrolladas (áreas fuera de la red). A partir de 2015, la capacidad mundial de microrredes superó los 12 000 megavatios y se espera una mayor expansión en el futuro.

En un sistema de energía a granel convencional, incluso en el caso de fluctuaciones en la demanda o la producción de energía renovable, la inercia (la propiedad que intenta mantener un estado) de los cuerpos giratorios, como las turbinas utilizadas para la generación de energía térmica, suprime los cambios rápidos en la frecuencia del sistema. manteniendo así un suministro de energía estable. Sin embargo, si la energía renovable se convierte en la principal fuente de energía en el futuro y hay una proporción menor de fuentes de energía, como la generación de energía térmica que usa turbinas grandes, entonces habrá menos fuerza de inercia de los cuerpos giratorios, lo que puede afectar la estabilidad de la energía eléctrica. fuente de alimentación. Los costos estimados de las medidas para hacer frente a tal escasez de inercia oscilan entre 5100 y 12 900 millones de yenes por año si la proporción de energía renovable en el sistema de energía a granel llega a ser del 50 % al 60 %.

Se supone que la energía solar y eólica son las principales fuentes de energía en las microrredes, que son sistemas de energía a pequeña escala en comparación con el sistema de energía a granel. La cantidad de energía generada fluctúa según el clima, y ​​no hay conexión a centrales térmicas que utilizan grandes turbinas. Como resultado, la inestabilidad de la fuente de alimentación debido a la falta de inercia será aún más pronunciada. Por lo tanto, para garantizar la estabilidad de la microrred, será esencial desarrollar tecnologías para compensar la falta de inercia y estabilizar las fuentes de alimentación, y demostrar estas tecnologías y ponerlas en práctica lo antes posible.

Características de la tecnología

Toshiba desarrolló un prototipo de inversor GFM que proporciona inercia sintética y suprime las fluctuaciones de la frecuencia de la red en los sistemas de distribución incluso cuando se producen fluctuaciones en el suministro o la demanda de energía (Figura 2) y demostró su eficacia. Toshiba ha implementado un algoritmo de control del inversor GFM en los sistemas de almacenamiento de energía de la batería en lugar del algoritmo de control convencional sin inercia, y cuando hay fluctuaciones rápidas en la producción de energía renovable o la demanda de energía, el inversor genera energía y genera una inercia sintética para mantener la red. frecuencia. Esto suprime instantáneamente las caídas repentinas de frecuencia, logrando una fuente de alimentación estable.

Toshiba también había realizado una verificación de este inversor implementado en una microrred simulada. La microrred simulada asumió la frecuencia de la red de 50 Hz (la frecuencia de la red utilizada en el este de Japón) y una tasa de energía renovable del 40 %, combinando cinco sistemas de almacenamiento de energía de batería (clasificación de 20 kW, capacidad de batería de 14,9 kWh) equipados con inversores GFM, uno diésel generador síncrono (clasificación de 125 kVA) con un motor de combustión interna y dos bancos de carga utilizados para variar la carga de potencia. En esa verificación, se demostró que bajo fluctuaciones de carga de 50 kW, las reducciones de frecuencia de la red se suprimieron en un 70 %, de 2,4 Hz (50,0 a 47,6 Hz) a 0,6 Hz (50,0 Hz a 49,4 Hz). El umbral de frecuencia para las interrupciones del suministro de energía debido a las fluctuaciones de la frecuencia de la red en el este de Japón se establece en 48,5 Hz, y las verificaciones con equipos reales aseguraron que la frecuencia no cayera por debajo de este umbral, lo que demuestra la realización de un suministro de energía estable que evita cortes de energía. Esta es la primera demostración del mundo del funcionamiento en paralelo de un generador síncrono diésel y un inversor.

Para verificar los efectos del inversor GFM en un estado similar a las condiciones del mundo real, Toshiba realizó una prueba de verificación utilizando solo un sistema de energía solar fotovoltaica (clasificación de 20 kW) y un generador síncrono diésel (clasificación de 125 kVA) equipado con un inversor GFM. , en lugar de utilizar los sistemas de almacenamiento de energía de la batería equipados con un inversor GFM. En esta verificación, se demostró que la disminución de la frecuencia de la red se suprimió en aproximadamente un 30 %, de 1 Hz (50,0 a 49,0 Hz) a 0,7 Hz (50,0 a 49,3 Hz) cuando la fluctuación de carga era de 20 kW (Figura 3). En la configuración combinada con los sistemas de almacenamiento de energía también comprobamos el efecto de suprimir la disminución de la frecuencia de la red en un 70%, de 2,2 Hz (50,1 a 47,9 Hz) a 0,6 Hz (50,2 a 49,6 Hz), tanto en descarga de acumuladores como al recargarlos (Figura 4). Se espera que esto contribuya a la estabilidad de la red al cargar vehículos eléctricos. Toshiba también verificó que la carga instantánea en el inversor GFM se puede reducir en un 30%, de 22 a 16 kW, seleccionando una inercia adecuada para el funcionamiento en paralelo de generadores síncronos con motores de combustión interna, como los que se espera utilizar en una microrred (Figura 5).

Para lograr una sociedad descarbonizada para 2050, el gobierno japonés ha formulado su "Hoja de ruta de descarbonización regional" para desarrollar medidas a través de la colaboración y la creación conjunta entre los gobiernos nacionales y locales, y ha indicado una política para "realizar comunidades descarbonizadas, sólidas y vibrantes". en todo el país, sin esperar al 2050". Con el objetivo de utilizar el inversor GFM desarrollado para microrredes, Toshiba seguirá participando en la investigación, el desarrollo y las demostraciones para una comercialización temprana. + Explora más

Simulación del papel de los inversores formadores de red en la futura red eléctrica