科学家们已经阐明了实现电网中发电机组同步的基本原理对于稳定供电至关重要

2019-10-15 08:30:37

东京工业大学(东京理工大学)和北卡罗来纳州立大学的联合研究小组阐明了实现电网中发电机组[1]同步的基本原则,这对于稳定供电至关重要。基于此原理,该团队开发了一种构建电力网络聚合模型的方法,该方法可以有效地分析和控制与电网的复杂连接的发电机组的行为(包括转子相角和连接点电压)。

众所周知,诸如在多个火力发电厂处的发电机组的同步现象与稳定的电力供应密切相关。具体而言,如果发电机不同步,则该发电机及其周围的发电机将无法稳定运行,并且在最坏的情况下,可能会发生严重事故,例如停电。

此外,全球变暖和化石燃料枯竭引起的能源问题在全球范围内变得更加严重。因此,从减少二氧化碳和系统地利用能量的观点出发,人们对诸如光伏(PV)发电代表的可再生能源寄予了很高的期望。引进大型的光伏发电设备和蓄电设备时,除了当今常用的火力,水力和核能发电外,还必须考虑光伏发电输出和输出的电能充放电。蓄电池以维持供需之间的平衡。然而,由于存在与天气变化和太阳辐射量变化有关的不确定性,光伏发电量会发生波动。这使得维持发电机组的同步更加困难。分析同步的需求比以往任何时候都更加重要。

对于常规分析,主要方法是基于数值模拟。从理论上讲,尚无研究阐明如何根据输电网络结构正确同步发电机组的基本原理。迫切需要建立一个能有效利用电力存储设备的供电和需求框架,以解决光伏发电和需求预测的不确定性。

研究成果概述

北卡罗来纳州立大学NSF ERC FREEDM系统中心的助理教授石崎隆之教授,东京理工大学的Imura教授,井上淳一教授以及Aranya Chakrabortty副教授从以下方面进行了多项研究,包括电网建模,稳定性分析和稳定控制。图论[2]。他们已经阐明,图论中的网络对称性是在与电网(连接到电网)集成的火电厂中实现发电机组同步的基本原理。

通过电网中的电网连接的发电机的行为由将微分方程和代数方程相结合的复数方程(微分代数方程)表示。微分方程表示从牛顿第二运动定律得出的“发电机的行为”,而代数方程表示从欧姆定律和基尔霍夫定律[3]得出的“电网连接点处的功率平衡”。这些微分代数方程式的分析通常是通过称为Kron简化的简化方法转换成数学上等效的微分方程式来进行的。但是,问题在于现有方法

为了解决这个问题,他们基于对图论的理解,从对称性的角度分析了代数方程中包含的电网的网络结构。具体而言,他们通过分析发电机的行为而没有消除代数方程,他们发现电网的对称性是实现发电机组同步的基本原理。此外,基于同时集成显示同步行为的发电机组和耦合这些行为的电网的新思想,可以在数学上和物理上构建可行的聚合模型。

期望该成就将为开发用于实现向大型和复杂的电力系统稳定供电的分析和控制方法奠定基础。Imura教授说,将来它的目标是开发包括转换器在内的更复杂的电力系统,并建立一种理论来近似发电机组的同步。

注意:

[1]发电机组的同步:多个发电机的转子等转子的相角必须相同或相当接近。每个转子根据特定频率(日本为50 Hz或60 Hz)的标准旋转,以保持其频率。每个发电机的频率差异会造成相位角差异。

[2]图论:这是一种与图(网络结构)有关的数学理论,图由一组顶点(节点)和一组边组成。电网被解释为一个图形,其中连接点是顶点,连接这些连接点的传输线是边缘。

[3]欧姆定律,基尔霍夫定律:这些物理定律表示电路中电压和电流等物理量之间的关系。欧姆定律表明,电路中两个点之间的电压差与它们之间流动的电流成比例。基尔霍夫定律表明,在电路的分支点处,流到该点的电流之和等于从该点流出的电流之和。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。