A Toshiba Corporation demonstrou a eficácia do seu inversor de formação de rede (GFM), que foi desenvolvido para garantir a estabilidade das microrredes. Uma microrrede é um tipo de sistema de energia distribuída que permite a autossuficiência regional de energia elétrica por meio do uso de energia renovável, em vez de depender do fornecimento de energia de usinas de grande porte. Quando há uma flutuação repentina na saída ou demanda de energia elétrica, uma frequência normalmente estável pode flutuar drasticamente, possivelmente acionando um relé de proteção e cortando o fornecimento de energia, levando a quedas de energia. Em particular, à medida que a participação das energias renováveis ​​aumenta, as flutuações na frequência da rede aumentam. Em particular, as flutuações de frequência aumentarão com o aumento das taxas de energia renovável, de modo que o uso generalizado de microrredes exigirá tecnologias para manter uma frequência de rede estável.
Em março de 2022, a Toshiba desenvolveu um inversor GFM que pode manter a frequência da rede dos sistemas de distribuição fornecendo pseudo-inércia através da saída de energia do inversor quando a frequência da rede flutua rapidamente. A empresa já verificou os resultados do uso de inversores GFM em uma configuração semelhante a ambientes reais, incluindo o uso real de energia renovável, e demonstrou que a montagem de inversores GFM em geradores de energia fotovoltaica suprime diminuições na frequência da rede em aproximadamente 30%.

A Toshiba planeja apresentar detalhes desses resultados na Conferência Anual da Sociedade de Energia e Energia do Instituto de Engenheiros Elétricos do Japão em setembro de 2022 e no Congresso e Exposição de Conversão de Energia do IEEE de 2022 (ECCE2022) em outubro de 2022.

A Toshiba encomendou esta pesquisa sob o "Inversor Síncrono Inteligente (SSI) e seus sistemas de controle baseados em sincronização virtual com redes de energia para utilizar energia de várias fontes de energia renovável" como parte do projeto fiscal 2019-2021 do Ministério do Meio Ambiente para Tecnologia de Baixo Carbono Programa de Pesquisa, Desenvolvimento e Demonstração. Este trabalho foi realizado em colaboração com Pacific Power Co., Ltd., Energy &Environment Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology e Pacific Consultants Co., Ltd.

Antecedentes do desenvolvimento

Em outubro de 2020, o governo japonês declarou a meta de alcançar a neutralidade de carbono até 2050 e, com o objetivo de realizar uma sociedade descarbonizada, está promovendo o uso de energia solar, eólica e outras formas de energia renovável como principais fontes de energia. O Sexto Plano Estratégico de Energia, aprovado pelo Conselho de Ministros em 22 de outubro de 2021, afirma que "para utilizar recursos energéticos distribuídos, como energia renovável e cogeração nas comunidades locais, esperamos ver a criação de microrredes e outras energias autossuficientes e distribuídas sistemas, que também contribuirão para o uso eficiente de energia por meio da produção local para consumo local, fortalecerão a resiliência, etc.", indicando expectativas crescentes para microrredes (Figura 1) que podem fornecer autossuficiência de energia em interrupções devido a desastres.

No exterior, além de abordar questões ambientais, houve vários projetos em países asiáticos e africanos para construir microrredes utilizando energia renovável e baterias de armazenamento que fornecerão eletricidade a áreas onde as redes de energia elétrica não são desenvolvidas (áreas fora da rede). A partir de 2015, a capacidade mundial da microrrede ultrapassou 12.000 megawatts, e uma expansão adicional é esperada no futuro.

Em um sistema convencional de energia em massa, mesmo no caso de flutuações na demanda ou na produção de energia renovável, a inércia (a propriedade que tenta manter um estado) de corpos rotativos, como turbinas usadas para geração de energia térmica, suprime mudanças rápidas na frequência do sistema, mantendo assim uma fonte de alimentação estável. No entanto, se a energia renovável se tornar a principal fonte de energia no futuro e houver uma redução na proporção de fontes de energia, como geração de energia térmica que usa grandes turbinas, haverá menos força inercial dos corpos giratórios, o que pode afetar a estabilidade da energia elétrica. fonte de energia. Os custos estimados para medidas para lidar com essa escassez de inércia variam de 5,1 a 12,9 bilhões de ienes por ano se a proporção de energia renovável no sistema de energia em massa for de 50% a 60%.

As energias solar e eólica são consideradas as principais fontes de energia nas microrredes, que são sistemas de energia de pequena escala em comparação com o sistema de energia em massa. A quantidade de energia gerada varia de acordo com o clima e não há conexão com usinas termelétricas que usam grandes turbinas. Como resultado, a instabilidade da fonte de alimentação devido à falta de inércia será ainda mais pronunciada. Para garantir a estabilidade da microrrede, será, portanto, essencial desenvolver tecnologias para compensar a falta de inércia e estabilizar as fontes de alimentação, demonstrar essas tecnologias e colocá-las em uso prático o mais rápido possível.

Recursos da tecnologia

A Toshiba desenvolveu um protótipo de inversor GFM que fornece inércia sintética e suprime as flutuações da frequência da rede em sistemas de distribuição mesmo quando ocorrem flutuações no fornecimento de energia ou na demanda de energia (Figura 2) e demonstrou sua eficácia. A Toshiba implementou um algoritmo de controle do inversor GFM em sistemas de armazenamento de energia da bateria em vez do algoritmo de controle convencional sem inércia, e quando há flutuações rápidas na saída de energia renovável ou demandas de energia, o inversor produz energia e gera uma inércia sintética para manter a rede frequência. Isso suprime instantaneamente quedas repentinas de frequência, proporcionando uma fonte de alimentação estável.

A Toshiba também realizou uma verificação deste inversor implementado em uma microrrede simulada. A microrrede simulada assumiu a frequência da rede de 50 Hz (a frequência da rede usada no leste do Japão) e uma taxa de energia renovável de 40%, combinando cinco sistemas de armazenamento de energia da bateria (classificação de 20 kW, capacidade da bateria de 14,9 kWh) equipados com inversores GFM, um a diesel gerador síncrono (classificação de 125 kVA) com motor de combustão interna e dois bancos de carga usados ​​para variar a carga de potência. Nessa verificação, foi demonstrado que sob oscilações de carga de 50 kW, as reduções de frequência da rede foram suprimidas em 70%, de 2,4 Hz (50,0 a 47,6 Hz) para 0,6 Hz (50,0 Hz a 49,4 Hz). O limite de frequência para interrupções no fornecimento de energia devido a flutuações de frequência da rede no leste do Japão é definido em 48,5 Hz, e verificações usando equipamentos reais garantiram que a frequência não caia abaixo desse limite, demonstrando a realização de um fornecimento de energia estável que evita interrupções de energia. Esta é a primeira demonstração mundial de operação paralela de um gerador síncrono a diesel e inversor.

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Para verificar os efeitos do inversor GFM em um estado semelhante às condições do mundo real, a Toshiba realizou um teste de verificação usando apenas um sistema de energia solar fotovoltaica (classificação de 20 kW) e um gerador síncrono a diesel (classificação de 125 kVA) equipado com um inversor GFM , em vez de usar os sistemas de armazenamento de energia da bateria equipados com um inversor GFM. Nesta verificação, foi demonstrado que a diminuição da frequência da rede foi suprimida em aproximadamente 30%, de 1 Hz (50,0 a 49,0 Hz) a 0,7 Hz (50,0 a 49,3 Hz) quando a oscilação de carga foi de 20 kW (Figura 3). Na configuração combinada com os sistemas de armazenamento de energia verificou-se também o efeito de suprimir a diminuição da frequência da rede em 70%, de 2,2 Hz (50,1 a 47,9 Hz) para 0,6 Hz (50,2 a 49,6 Hz), tanto na descarga de acumuladores como ao recarregá-los (Figura 4). Espera-se que isso contribua para a estabilidade da rede ao carregar veículos elétricos. A Toshiba também verificou que a carga instantânea no inversor GFM pode ser reduzida em 30%, de 22 para 16 kW, selecionando uma inércia adequada para operação paralela de geradores síncronos com motores de combustão interna, como os esperados para serem usados ​​em uma microrrede (Figura 5).

Para realizar uma sociedade descarbonizada até 2050, o governo japonês formulou seu "Roteiro Regional de Descarbonização" para desenvolver medidas por meio da colaboração e cocriação entre os governos nacional e local, e indicou uma política para "realizar comunidades descarbonizadas, robustas e vibrantes em todo o país, sem esperar por 2050." Com o objetivo de utilizar o inversor GFM desenvolvido para microrredes, a Toshiba continuará a se envolver em pesquisa, desenvolvimento e demonstrações para comercialização antecipada. + Explorar mais

Simulando o papel dos inversores formadores de rede na futura rede elétrica