Die jüngsten Stromausfälle in Texas haben darauf aufmerksam gemacht, dass das Stromnetz des Landes vom Rest des Landes getrennt ist. Obwohl nicht sofort klar ist, ob durch die Integration mit anderen Teilen des nationalen Stromnetzes die Notwendigkeit fortlaufender Stromausfälle vollständig beseitigt worden wäre, war die Unfähigkeit des Staates, erhebliche Strommengen zu importieren, ausschlaggebend für den Stromausfall.

Ein größeres Stromnetz hat Vorteile, birgt aber auch Gefahren, die Forscher der Northwestern University angehen wollen, um die Integration und Verbesserungen des Systems zu beschleunigen.

Eine offensichtliche Herausforderung bei größeren Netzen besteht darin, dass sich Ausfälle weiter ausbreiten können – im Fall von Texas über Staatsgrenzen hinweg. Ein weiterer Grund ist, dass alle Stromgeneratoren auf einer gemeinsamen Frequenz synchronisiert bleiben müssen, um Energie zu übertragen. Die USA werden von drei „getrennten“ Netzen versorgt: dem Eastern Interconnection, dem Western Interconnection und dem Texas Interconnection, die nur durch Gleichstromleitungen miteinander verbunden sind. Jede anhaltende Abweichung der Frequenzen innerhalb einer Region kann zu einem Ausfall führen.

Daher suchen Forscher nach Möglichkeiten, das Netz zu stabilisieren, indem sie nach Methoden suchen, um Abweichungen in den Frequenzen der Stromgeneratoren abzumildern.

Die neue Northwestern-Forschung zeigt, dass die Heterogenität im Stromnetz entgegen den Annahmen einiger Stabilitätsvorteile bietet. Bei der Untersuchung mehrerer Stromnetze in den USA und in Europa berichtete ein Team unter der Leitung des Nordwestphysikers Adilson Motter kürzlich, dass Generatoren, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, schneller in ihren Normalzustand zurückkehren, wenn sie durch „Unterbrecher“ mit anderen Geschwindigkeiten gedämpft werden als Generatoren in ihrer Umgebung.

Der Artikel wurde am 5. März in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht .

Motter ist Charles E. und Emma H. ​​Morrison Professor in der Abteilung für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf nichtlinearen Phänomenen in komplexen Systemen und Netzwerken.

Motter vergleicht Stromnetze mit einem Chor: „Es ist ein bisschen wie ein Chor ohne Dirigenten. Die Generatoren müssen anderen zuhören und synchron sprechen. Sie reagieren und reagieren auf die Frequenzen des anderen.“

Hören Sie sich eine aus dem Gleichgewicht geratene Frequenz an, und das Ergebnis kann ein Misserfolg sein. Aufgrund des vernetzten Aufbaus des Systems kann sich ein Fehler über das gesamte Netzwerk ausbreiten. In der Vergangenheit wurden diese Fehlfunktionen durch den Einsatz aktiver Controller verhindert. Ausfälle werden jedoch häufig gerade durch Steuerungs- und Gerätefehler verursacht. Dies weist auf die Notwendigkeit hin, zusätzliche Stabilität im Systemdesign aufzubauen. Um dies zu erreichen, untersuchte das Team die Nutzung der natürlichen Heterogenitäten des Netzes.

Wenn die Frequenzen der Stromgeneratoren vom Synchronzustand abweichen, können sie längere Zeit schwanken und sogar unregelmäßiger werden. Um diese Schwankungen abzumildern, entwickelten sie so etwas wie einen Türmechanismus, mit dem eine Tür am schnellsten geschlossen werden kann, ohne jedoch zuzuschlagen.

„Mathematisch gesehen ähnelt das Problem der Dämpfung von Frequenzabweichungen in einem Stromgenerator dem Problem, eine Tür optimal zu dämpfen, damit sie am schnellsten schließt, wofür es im Fall einer einzelnen Tür eine bekannte Lösung gibt“, sagte Motter. „Aber in dieser Analogie handelt es sich nicht um eine einzelne Tür. Es ist ein Netzwerk aus vielen Türen, die miteinander gekoppelt sind, wenn man sich die Türen als Stromgeneratoren vorstellen kann.“

Bei der Schaffung eines „optimalen Dämpfungseffekts“ stellten sie fest, dass die Fähigkeit der Stromgeneratoren, sich so schnell wie möglich auf die gleiche Frequenz zu synchronisieren, weiter optimiert werden kann, anstatt jeden Dämpfer identisch zu machen. Das heißt, eine entsprechend heterogene Dämpfung im gesamten Netzwerk kann zu einer verbesserten Stabilität in den vom Team untersuchten Stromnetzen führen.

Diese Entdeckung könnte Auswirkungen auf das zukünftige Netzdesign haben, da Entwickler an der Optimierung der Technologie arbeiten und Überlegungen zur weiteren Integration jetzt getrennter Netze anstellen.

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Der Artikel trägt den Titel „Asymmetrie liegt der Stabilität in Stromnetzen zugrunde.“ Weitere Co-Autoren sind der ehemalige Postdoktorand Ferenc Molnar und der Forschungsprofessor Takashi Nishikawa.

Die Studie wurde von der Finite Earth Initiative der Northwestern University (unterstützt von Leslie und Mac McQuown) und dem ARPA-E Award Nr. DE-AR0000702 unterstützt und profitierte auch von der logistischen Unterstützung des Northwestern Institute for Sustainability and Energy.