Načrtovanje generatorskega sistema spremenljive hitrosti za povečanje odpornosti omrežja

Večja integracija vetrnih elektrarn in črpalnih hidroelektrarn s spremenljivo hitrostjo v prihodnje elektroenergetske sisteme je nujna za izpolnjevanje zahtev po zmanjšanju emisij toplogrednih plinov in povečanju deleža obnovljivih virov v mešanici energijskih virov. Pri tem je izjemno pomemben razvoj novih pristopov k načrtovanju generatorskega sistema, ki v veliki meri prispeva k povečanju zanesljivosti in odpornosti omrežja. V ta namen bomo definirali metrike vodljivosti za izboljšanje frekvenčno-vztrajnostnega odziva elektrarn spremenljive hitrosti in jih vključili kot dodatne kriterije pri elektromagnetni zasnovi generatorjev s pretvornikom. Ta projekt bo tako omogočil bistveno bolj preprosto integracijo vetrnih elektrarn in črpalnih hidroelektrarn spremenljive hitrosti v prihodnje elektroenergetske sisteme, kar bo vodilo do donosnejše in s tem še bolj zelene proizvodnje električne energije brez ogrožanja zanesljivosti in odpornosti omrežja. Pravzaprav že številni vladni cilji zahtevajo zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, kot je na primer Evropski zeleni dogovor, ki določa načrt, v katerem so se vse države članice EU zavezale, da bo EU do leta 2050 postala prva podnebno nevtralna celina. Kratkoročni cilj je zmanjšanje emisij toplogrednih plinov za vsaj 55 % do leta 2030 v primerjavi z ravnmi iz leta 1990, pri čemer je eden od predlogov, da se zavezujoči cilj v zvezi z energijo iz obnovljivih virov v mešanici energijskih virov EU poveča na 40 % do l. 2030. Poleg tega skupni desetletni načrt razvoja omrežij ENTSOG in ENTSO-E iz l. 2020 za Evropo predvideva, da bo veter l. 2030 pokrival 29 % proizvodnje električne energije, l. 2040 pa kar 41 %. Osrednjo vlogo pri proizvodnji električne energije imajo električni generatorji. V vetrnih in črpalnih hidroelektrarnah generatorji obratujejo s spremenljivo hitrostjo, zaradi česar so priključeni na omrežje predvsem prek pretvornikov močnostne elektronike. Uredba komisije (EU) 2016/631, z namenom zagotavljanja stabilne proizvodnje električne energije, za pretvorniško priključene enote zahteva zagotavljanje jalove moči, frekvenčno-vztrajnostni odziv, dušenje nihanj moči, zmožnost obratovanja pri znižani napetosti zaradi okvare v omrežju in injiciranje hitrega okvarnega toka, kar je že implementirano v nacionalnih omrežnih kodeksih. Neizogibno je torej, da bodo pretvorniško priključene enote bistveno spremenile dinamične odzive elektroenergetskega sistema. Priključitev preko pretvornika pa ponuja tudi nove možnosti optimizacije načrtovanja električnih strojev, tako da je mogoče generatorje zasnovati na način, da imajo manjšo prostornino, nižje stroške materiala, manjše vzbujanje in večji izkoristek od običajno zasnovanih. Predlagana raziskava bo s poenotenjem tehnik načrtovanja generatorja in omrežnih zahtev vodenja omogočila širok razpon obratovalnih pogojev teh sodobnih elektrarn spremenljive hitrosti. Glavni cilj te raziskave je torej poenotenje tehnik načrtovanja generatorjev in omrežnih zahtev vodenja, preko elektromagnetne zasnove generatorjev s pretvornikom v velikih elektrarnah spremenljive hitrosti (vetrne in črpalne hidroelektrarne), ki temelji na metrikah vodljivosti, z namenom izboljšanega frekvenčno-vztajnostnega odziva in s tem povečanja odpornosti omrežja. V ta namen bomo: (i) Definirali in dokazali metrike vodljivosti za izboljšanje frekvenčno-vztrajnostnega odziva vetrnih elektrarn in črpalnih hidroelektrarn s sinhronskim generatorjem s pretvornikom in z dvojno napajanim asinhronskim generatorjem, (ii) Vključili te metrike vodljivosti kot dodatne kriterije pri elektromagnetni zasnovi obravnavanih generatorjev in izpeljali pravila skaliranja, (iii) Razvili in eksperimentalno raziskali rešitve vodenja obravnavanih elektrarn, ter prikazali povečano odpornost omrežja.