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Au milieu des panneaux solaires et des équipements du réseau électrique du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), vous pourriez entendre une mélodie faible et déformée bourdonner quelque part. Vous n’hallucinez pas – cette boîte grise chante vraiment le thème de Star Wars, ou la chanson du camion de crème glacée, ou la valse en la mineur de Chopin. Les ingénieurs du système d’alimentation s’amusent avec une capacité NREL qui évite les problèmes de stabilité sur le réseau électrique.

Habituellement, les ingénieurs envoient un autre type de forme d’onde à travers les onduleurs et les bancs de charge : des mégawatts de puissance et des vibrations de tension à de nombreuses fréquences. Le but de leurs recherches est de voir comment les dispositifs énergétiques et le réseau interagissent, afin de les “accorder” et d’empêcher les oscillations électriques dangereuses qui se manifestent comme une rétroaction stridente ou une sous-basse en plein essor.

Les ingénieurs peuvent effectuer cette analyse en haute fidélité avec le matériel NREL en utilisant le système de mesure d’impédance avancé du laboratoire, et ils ont également produit un logiciel disponible dans le commerce appelé Grid Impedance Scan Tool ou GIST qui peut faire la même chose avec une alimentation simulée sur des modèles d’appareils, permettant tout fabricant ou gestionnaire de réseau pour certifier la stabilité du réseau avec des ressources énergétiques renouvelables.

“Ces capacités uniques peuvent exciter les éoliennes, les onduleurs photovoltaïques et tous ces nouveaux équipements à différentes fréquences pour comprendre s’ils seront compatibles avec le réseau ou s’il y aura des perturbations”, a déclaré Shahil Shah, chef de projet et développeur de GIST.

Stabilité en sol majeur

Comme la musique, l’électricité est faite d’ondes qui interagissent pour créer des harmonies et des distorsions. Alors que la musique s’étend sur environ 10 octaves, 20 octaves sont utilisées par les systèmes d’alimentation électrique avec des équipements tels que l’énergie éolienne et les centrales solaires. Cela laisse beaucoup de place pour que les signaux se chevauchent, résonnent et s’amplifient, ce qui se produit occasionnellement sur les systèmes électriques et semble se produire davantage lorsque les générateurs en rotation sont déplacés par l’électronique de puissance comme les onduleurs éoliens et solaires. Lorsque des oscillations indésirables se produisent, elles peuvent endommager des composants ou provoquer des pannes complètes du système d’alimentation.

“Le solaire et le vent créent beaucoup d’oscillations, tout comme les structures mécaniques, mais nous ne les voyons pas. Cela peut créer un comportement perturbateur, et cela s’est produit partout dans le monde dans des systèmes électriques à haut niveau d’énergies renouvelables”, a déclaré Shah.

La stabilité est délicate car les conceptions de réseau sont différentes d’un système à l’autre, de sorte que l’ajout d’une nouvelle centrale éolienne ou solaire revient à placer un nouveau musicien dans un groupe en direct sans lui fournir de partitions. comment habile.

Pour les partenaires de l’industrie, NREL fournit exactement cette capacité : placer un appareil dans son véritable environnement de grille et voir comment il « sonne ». L’infrastructure haute puissance de NREL peut émuler n’importe quel réseau électrique pour les technologies partenaires et peut mesurer de près la réponse de la technologie.

“Nous développons des outils qui nous permettent de basculer rapidement entre les fréquences que nous injectons dans le réseau”, a déclaré Przemek Koralewicz, co-développeur du GIST. “Et pour générer de la musique, nous utilisons exactement les mêmes outils.”

Comme les onduleurs chantants, les panneaux solaires, les éoliennes ou les batteries d’un partenaire fonctionneront aux fréquences du réseau. Dans cette symphonie de mégawatts, les ingénieurs peuvent identifier et corriger où le système vibre dangereusement.

Alors que de plus en plus d’opérateurs de réseau insistent désormais sur des évaluations de stabilité préliminaires pour les nouvelles connexions d’appareils, les démonstrations de puissance réelle deviennent de plus en plus importantes. Mais tous les opérateurs de réseau ou fabricants d’appareils ne peuvent pas visiter l’environnement de recherche avancée de NREL pour les systèmes énergétiques afin de valider leur interconnexion. Une alternative pourrait consister à modéliser les systèmes, mais ces modèles haute fidélité ne sont généralement pas disponibles dans un format ouvert et transparent, ni pour les appareils ni pour le réseau.

Au lieu de cela, les ingénieurs de NREL ont inventé une solution de contournement pour vérifier la stabilité avec rien de plus qu’un logiciel de bureau et des modèles de boîte noire couramment disponibles qui ne divulguent pas la propriété intellectuelle des fournisseurs éoliens et photovoltaïques.

Logiciel pour vérifier facilement la stabilité du réseau

Le logiciel GIST de NREL montre que des modèles d’appareils détaillés ne sont pas réellement nécessaires ; la variété de la boîte noire fonctionnera très bien. GIST ne mesure que la stabilité combinée des appareils en interaction, et pour cela, tout modèle qui capture le comportement de l’appareil à ses terminaux fera l’affaire. Cette flexibilité permet aux utilisateurs de tester une gamme bien plus large d’appareils, en surmontant tous les obstacles aux évaluations de stabilité.

Étant donné que la stabilité du réseau est un résultat collectif – une harmonie entre les appareils et le réseau – elle doit être évaluée aux jonctions où les deux se rencontrent. GIST le fait en s’interfaçant entre les modèles d’appareils et de réseaux : appareils d’un côté, réseau électrique de l’autre. Le logiciel injecte ensuite le modèle combiné avec des fréquences pour voir comment le système répond. C’est ce qu’on appelle un balayage d’impédance.

Une analyse GIST peut prendre entre quelques minutes et plusieurs heures, selon la taille du système et le nombre d’appareils électroniques de puissance, et elle peut évaluer plusieurs appareils en parallèle. En pratique, un utilisateur balayerait une variété de points à travers le réseau pour obtenir une vue complète de la stabilité dynamique. Actuellement, GIST est disponible sous licence et est appliqué dans plusieurs partenariats de recherche.

Le logiciel est particulièrement utile pour valider les contrôles de formation de réseau, qui permettent aux ressources d’énergie renouvelable d’assurer la stabilité de la même manière que les générateurs rotatifs le font traditionnellement. Trouver le bon mélange de dispositifs formant et suivant le réseau préoccupera bientôt les services publics et les opérateurs de système partout, et GIST peut aider à déterminer si un mélange donné est vraiment stable. GIST complétera également l’effort largement collaboratif de NREL pour développer des contrôles de formation de grille via le consortium UNIFI en fournissant un outil permettant aux chercheurs d’évaluer rapidement les nouvelles technologies et architectures de système.

Les onduleurs de NREL peuvent sembler chanter sur leur propre mélodie, mais c’est vraiment la mélodie d’une large stabilité du réseau. Alors que des chansons mémorables résonnent à travers l’électronique de puissance du laboratoire, les visiteurs se souviennent que la fréquence du réseau est aussi harmonieuse ou dure, discordante ou suave. Pour s’assurer que les énergies renouvelables ont un crescendo en douceur sur les systèmes électriques, les partenaires peuvent se tourner vers les tests NREL et les outils logiciels.