13 dec. 2021
3 minuten
Grote elektriciteitscentrales met hun synchrone generatoren zorgen voor stabiliteit in het elektriciteitsnet, maar worden in de loop van de energietransitie stilaan uitgeschakeld. Om dit probleem tegen te gaan, werken onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE aan hoe netvormende omvormers in de toekomst een betrouwbare levering van sinusvormige wisselstroom en een stabiele netfrequentie kunnen garanderen.
Ons elektriciteitsnet is zeer complex van structuur en het evenwicht waarin het zich normaal gesproken bevindt, is fragiel. Idealiter heeft de elektriciteit die door Europa stroomt een sinusvormige wisselspanning met een vrijwel constante frequentie van 50 Hertz. Deze stabiliteit wordt mogelijk gemaakt door de fysieke eigenschappen van synchrone generatoren in grote energiecentrales. Deze brengen met hun roterende massa traagheid en dus de zogenaamde instantane reserve in het systeem.
Ze kunnen eventuele opwekkingstekorten voor een korte tijd compenseren met behulp van de opgeslagen kinetische energie en zo de tijd overbruggen totdat verdere beschermende maatregelen zoals het beschikbaar stellen van regelreserves worden geactiveerd. Dit betekent dat zelfs in kritieke situaties, zoals de ongeplande uitval van grote opwekkingscapaciteiten of het uiteenvallen van het netwerk in netwerkdelen, een zogenaamde systeemsplitsing, landelijke stroomstoringen niet direct optreden.
Nu en de komende jaren worden steeds meer grote kern- en kolencentrales van het net gehaald en vervangen door duurzame vormen van energieopwekking. "Dit betekent dat de synchrone generatoren, die een zeer essentiële basis voor netcontrole vormen, verloren gaan", zegt Sönke Rogalla, hoofd van de afdeling Power Electronics and Grid Integration. Hij en zijn onderzoeksteam zien netvormende omvormers als een veelbelovend alternatief voor het handhaven van de netstabiliteit.
De juiste programmering
Het elektrische gedrag van de omvormer is niet fysiek gedefinieerd, maar moet eerst worden bepaald met behulp van bepaalde besturingsalgoritmen. Tegenwoordig zijn omvormers meestal zo geprogrammeerd dat ze een gewenst vermogen leveren aan een star verondersteld elektriciteitsnet dat wordt geleverd door krachtige grootschalige elektriciteitscentrales. Netvormende omvormers daarentegen zijn zo geprogrammeerd dat ze zich gedragen als een spanningsbron. Net als bij conventionele elektriciteitscentrales, reageren netvormende omvormers snel op de behoeften van het net en leveren ze onmiddellijke reserves.
"Het is bijvoorbeeld belangrijk dat de apparaten reflexmatig correct reageren in speciale gevallen zoals overbelastingssituaties, defecte lijnen of systeemsplitsingen en het net stabiel houden", zegt Roland Singer, groepsleider voor op converter gebaseerde netwerken. »Hiervoor doen we onderzoek naar de ontwikkeling van apparaten en algoritmen. In het eigen multi-megawatt-lab van ons instituut in Freiburg kunnen we met behulp van simulaties en de testinfrastructuur verschillende toepassingsscenario’s controleren."
Holistische visie
Rogalla legt uit dat er inmiddels consensus is onder de netbeheerders dat netvormende omvormers nodig zijn voor een groot deel van de systemen die nieuw op het net worden aangesloten. Fraunhofer ISE adviseert verschillende elektriciteitsnetbeheerders en werkt sinds 2017 samen met verschillende partners uit wetenschap en industrie in het project ‘VerbundnetzStabil’. "Hier zijn we erin geslaagd om competenties op het gebied van vermogenselektronica en regeltechniek samen te brengen met competenties op het gebied van netwerkdynamica en netwerkbesturing in een unieke constellatie. We waren in staat om een holistische kijk te krijgen op het gebruik van en de exacte vereisten voor netwerk- op grotere schaal omvormers vormen", aldus Rogalla.
In de eerste stap van het project werden de eisen voor toekomstige elektriciteitsnetten verduidelijkt en kritische situaties gedefinieerd. Dit vormde de basis voor een specifieke apparaatontwikkeling en programmering samen met de inverterfabrikant Kaco new energy. In het Multi-Megawatt Lab konden de onderzoekers vervolgens een kleinschalig elektriciteitsnet reproduceren en onderzoeken hoe het aandeel synchrone machines en netvormende omvormers en de geïmplementeerde regelgeving in verschillende storingsscenario’s de spanningsstabiliteit beïnvloeden.
Onze onderzoeken tonen opnieuw duidelijk aan dat een omschakeling van synchrone generatoren naar netvormende omvormers werkt en ook steeds urgenter wordt", benadrukt Singer. "Tegelijkertijd hebben we duidelijk kunnen definiëren wat het netwerk van de toekomst echt nodig heeft en met behulp van een door ons opgestelde testrichtlijn suggesties kunnen doen voor belangrijke technische details waarvoor nog geen duidelijke standaard", vult Rogalla aan. "We willen de industrie helpen met de technische evaluatie van geschikte apparaten voor de aanstaande marktintroductie van netvormende omvormers."
Anderen lazen ook
