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新框架保证了微电网的稳定
发布日期:2018-05-15

许多农村社区正在转向微电网,即通常以太阳能形式提供当地能源的小规模电力系统,向本地化的消费者,如个人住户或小村庄。

em通过安装电容器,麻省理工学院工程师揭示了一种新方法,可确保任何以直流电运行的微电网的稳定性。 / em

今天,超过13亿人生活在没有经常获得电力的地方,其中包括印度3亿多人和非洲撒哈拉以南地区的6亿人。在这些发展中国家和其他发展中国家,特别是在农村地区,主要电网的接入是遥远的,往往是不可靠的。

越来越多的农村和一些城市社区正在转向微电网作为电力的替代来源。微电网是一种小规模的电力系统,通常以太阳能的形式向当地消费者提供当地能源,例如个人住户或小村庄。

但是,电力系统越小,断电就越脆弱。诸如插入特定设备或太多电话充电器等小的干扰可能导致微电网不稳定和短路。

出于这个原因,工程师通常采用简单,集中配置的粗电缆和大电容器来设计微电网。这限制了任何设备从网络中汲取的功率 - 这是一种保守的措施,可以提高微电网的可靠性,但会带来巨大的成本。

现在,麻省理工学院的工程师已经开发了一种方法,用于保证任何运行在直流电或直流电中的微电网的稳定性 - 这是最初作为MIT塔塔中心uLink项目的一部分提出的架构。研究人员发现,他们可以通过安装电容器来确保微电网的稳定性,这些电容器可以消除特定尺寸或电容的尖峰和凹陷电压。

考虑到总负载或社区消耗的功率,该团队计算了维持微电网稳定性所需的特定负载上的最小电容。重要的是,这种计算不依赖于网络对传输线和电源的特定配置。这意味着微电网设计人员不必从头开始为每个新社区设计电源系统。

相反,研究人员表示,这种微电网设计过程可以执行一次,以开发电力系统“套件”:模块化电源,负载和可以批量生产的线路。只要负载单元包含适当尺寸的电容器,无论单个组件如何连接,系统都能保证稳定。

研究人员说,这样的模块化设计可以很容易地根据不断变化的需求进行重新配置,如额外的家庭加入社区现有的微电网。

“我们提出的是这种特设微电网的概念:微电网可以在没有任何预先计划的情况下创建,并且可以在没有任何疏忽的情况下运行。您可以采用不同的组件,以适合您的任何方式进行互连,并且保证可以正常工作,“麻省理工学院机械工程副教授Konstantin Turitsyn说。 “最终,这是迈向低成本微电网的一步,可以提供一定的可靠性和安全保证。”

该团队的结果出现在IEEE期刊 em控制系统快报, / em研究生Kathleen Cavanagh和Julia Belk '17。

恢复正常操作

Cavanagh表示,该团队的工作试图解决微电网设计中的一个核心挑战:“如果我们不提前了解网络并且不知道微电网将被部署到哪个村庄,该怎么办?我们能否以这样的方式设计组件:无论人们如何互相连接,它们仍然能够工作?“

研究人员寻找方法来限制微电网主要组件的尺寸 - 传输线,电源和负载,或耗电元件 - 以保证系统的整体稳定性,而不依赖于网络的特定布局。

为此,他们研究了Brayton-Moser势能理论 - 这是20世纪60年代开发的一种通用数学理论,它描述了包含各种物理和互连组件(如非线性电路)中的能量流动动态。

“在这里,我们将这一理论应用于其主要目标是权力转移的系统,而不是执行任何逻辑操作,”Turitsyn说。

该团队将该理论应用于微电网的简单而现实的表示。这使得研究人员能够查看负载变化时引起的干扰,例如手机插入充电器或风扇关闭时。他们表明,最糟糕的配置是一个简单的网络,包括一个连接到负载的信号源。这种简单配置的识别使他们能够消除对特定网络配置或拓扑的依赖。

Turitsyn说:“这个理论证明,对于高电容,微电网的电压不会达到极低的水平,系统将反弹并继续正常运行。

权力蓝图

根据他们的计算,该团队开发了一个框架,将微电网的整体功率需求,传输线路长度和功率需求与保持系统稳定所需的特定电容器大小相关联。

“确保这个简单的网络是稳定的,保证所有其他网络具有相同的线路长度或更小的也是稳定的,”Turitsyn说。 “这是让我们能够开发不依赖于网络配置的重要见解。”

“这意味着您不必将电容器的尺寸放大10倍,因为即使在最坏的情况下,我们也能提供明确的条件保持稳定,”Cavanagh说。

最后,团队的框架为设计和适应微电网提供了一个更便宜,灵活的蓝图,适用于任何社区配置。例如,微电网运营商可以使用该框架来确定给定电容器的大小,以稳定某个负载。相反,已经交付了硬件来建立微电网的社区可以使用该组的框架来确定传输线路的最大长度,以及组件可以安全维护的设备的类型。

Turitsyn说:“在某些情况下,对于给定的电压等级,我们无法保证给定负载变化时的稳定性,也许消费者可以决定使用这个大风扇,但不是更大的风扇。” “所以它不仅可以用于电容器,还可以限制个人可以使用的最大可接受的电量。”

展望未来,研究人员希望对AC或交流微电网采取类似的方法,微电网主要用于美国等发达国家。

“未来我们希望将这项工作扩展到AC微电网,这样我们就没有像飓风玛丽亚那样的情况发生,在波多黎各,现在的预期是在电力完全恢复之前还有几个月,”Turitsyn说。 “在这些情况下,部署太阳能微电网的能力没有太多的预先计划,并且具有灵活的连接,这将是向前迈出的重要一步。”

这项研究由MIT塔塔技术和设计中心赞助。

出版物:Kathleen Cavanagh等人,“Ad Hoc DC Microgrids的瞬态稳定性保证”,IEEE控制系统快报,2017; DOI:10.1109 / LCSYS.2017.2764441

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu