Uma rede de energia composta por quatro geradores e seis barramentos (pontos de conexão). Os Geradores 1 e 2 e os barramentos 1 e 2 aos quais estão conectados tornam-se uma rede simétrica para o barramento 5. Da mesma forma, Geradores 3 e 4 e Barramentos 3 e 4 tornam-se simétricos para Barramento 6. Os dois conjuntos de grupos de geradores simétricos e barramentos são mostrados como Clusters 1 e 2. Crédito: Processos do IEEE
Uma equipe de pesquisa conjunta do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) e da Universidade Estadual da Carolina do Norte esclareceu os princípios fundamentais para alcançar a sincronização de grupos de geradores de energia em redes de energia, o que é essencial para o fornecimento estável de energia elétrica. Com base neste princípio, a equipe desenvolveu um método para construir um modelo agregado de uma rede de energia que pode analisar e controlar com eficiência o comportamento de grupos de geradores (incluindo ângulos de fase do rotor e tensões de ponto de conexão) com conexão complexa a uma rede de energia.
Sabe-se que o fenômeno de sincronização de grupos geradores, como em múltiplas usinas termelétricas, está intimamente relacionado ao fornecimento estável de energia elétrica. Especificamente, se um gerador está fora de sincronia, que o gerador e seus geradores circundantes não serão capazes de operar de forma estável, e no pior dos casos, acidentes graves, como quedas de energia, podem ocorrer.
Além disso, os problemas de energia causados pelo aquecimento global e o esgotamento dos combustíveis fósseis tornaram-se mais sérios em escala global. Portanto, do ponto de vista da redução do dióxido de carbono e do uso sistemático de energia, grandes expectativas foram colocadas em energias renováveis, como a tipificada pela geração fotovoltaica (PV). Quando o equipamento de geração fotovoltaica em grande escala e o equipamento de armazenamento de energia são introduzidos, além da geração de energia, como a energia térmica convencionalmente usada, energia hidráulica e energia nuclear, é necessário considerar a carga e descarga de energia pela saída gerada por PV e baterias de armazenamento a fim de manter o equilíbrio entre a oferta e a demanda. Contudo, a quantidade de energia da geração fotovoltaica flutua, pois há incertezas relacionadas às mudanças no clima e às mudanças no volume da radiação solar de acordo com o fuso horário. Isso torna mais difícil manter a sincronização dos grupos de geradores. A necessidade de analisar a sincronização é maior do que nunca.
Com a análise convencional, uma abordagem principal é baseada na simulação numérica. Não existem estudos que esclareçam teoricamente os princípios básicos de como sincronizar adequadamente os grupos geradores de acordo com a estrutura da rede de transmissão de energia. Há uma necessidade urgente de construir uma estrutura de suprimento e demanda de energia que utilize equipamentos de armazenamento de energia de forma eficiente para permitir a incerteza da geração fotovoltaica e as previsões de demanda.
Aglomerado sincronizado de um modelo agregado obtido pela integração simultânea dos dois conjuntos de grupos geradores simétricos e grupos de barramentos (pontos de conexão) na Figura 1. De acordo com a lei de Ohm e a lei de Kirchhoff, é um modelo agregado matematicamente e fisicamente viável. Crédito: Processos do IEEE
Visão geral da realização da pesquisa
Professor Assistente Takayuki Ishizaki, Professor Jun-ichi Imura da Tokyo Tech, e a Professora Associada Aranya Chakrabortty do NSF ERC FREEDM System Center da North Carolina State University trabalhou em vários estudos, incluindo modelagem de rede de energia, análise de estabilidade, e controle de estabilização da perspectiva da teoria dos grafos. Eles esclareceram que a simetria da rede na teoria dos grafos é o princípio fundamental para a realização da sincronização de grupos geradores em usinas termelétricas integradas a redes de energia (conectadas a uma rede).
O comportamento dos geradores conectados por meio de uma rede em uma rede elétrica é representado por equações complexas (equações algébricas diferenciais) que combinam equações diferenciais e equações algébricas. As equações diferenciais expressam o "comportamento dos geradores" derivado da segunda lei do movimento de Newton, e as equações algébricas expressam "equilíbrio de poder nos pontos de conexão da rede elétrica" derivado da lei de Ohm e da lei de Kirchhoff. A análise dessas equações algébricas diferenciais foi geralmente realizada por transformação em uma equação diferencial matematicamente equivalente por meio de um método de simplificação chamado redução de Kron. Contudo, uma vez que a equação algébrica que representa a rede elétrica é eliminada pela exclusão da variável redundante que representa a tensão do ponto de conexão, não era adequado para analisar a relação entre a estrutura da rede da rede elétrica e o comportamento do gerador.
Para resolver este problema, eles analisaram a estrutura de rede da rede elétrica contida nas equações algébricas do ponto de vista da simetria com base em uma compreensão da teoria dos grafos. Especificamente, analisando o comportamento do gerador sem eliminar as equações algébricas, eles descobriram que a simetria da rede elétrica (Figura 1) é o princípio básico para realizar a sincronização de grupos de geradores. Além disso, com base em uma nova ideia de integrar simultaneamente grupos de geradores que mostram comportamento síncrono e a rede elétrica que os acopla, tornou-se possível construir matemática e fisicamente um modelo agregado viável (Figura 2).
Espera-se que essa conquista resulte em uma base para o desenvolvimento de métodos de análise e controle para realizar o fornecimento de energia estável para grandes e complexos sistemas de energia elétrica. No futuro, Professor Imura diz que visa desenvolver sistemas de energia elétrica mais complexos, incluindo conversores, e estabelecer uma teoria para aproximar a sincronização de grupos geradores.
O resultado desta pesquisa foi publicado em Processos do IEEE em 25 de abril, 2018.
