De recente stroomuitval in Texas heeft de aandacht gevestigd op het feit dat het elektriciteitsnet gescheiden is van de rest van het land. Hoewel het niet meteen duidelijk is of integratie met andere delen van het landelijk gastransportnet de noodzaak van uitrolstoringen volledig zou hebben weggenomen, was het onvermogen van de staat om grote hoeveelheden elektriciteit te importeren doorslaggevend bij de stroomuitval.

Een groter elektriciteitsnet heeft voordelen, maar heeft ook gevaren die onderzoekers van Northwestern University willen aanpakken om de integratie en verbeteringen aan het systeem te versnellen.

Een voor de hand liggende uitdaging in grotere netten is dat storingen zich verder kunnen verspreiden - in het geval van Texas, over staatsgrenzen heen. Een andere is dat alle stroomgeneratoren gesynchroniseerd moeten worden met een gemeenschappelijke frequentie om energie te kunnen verzenden. De VS worden bediend door drie "afzonderlijke" netten: de oostelijke interconnectie, de westelijke interconnectie en de Texas-interconnectie, die alleen met elkaar zijn verbonden door middel van gelijkstroomleidingen. Elke aanhoudende afwijking in frequenties binnen een regio kan tot uitval leiden.

Daarom zoeken onderzoekers naar manieren om het net te stabiliseren door te zoeken naar methoden om afwijkingen in de frequenties van de stroomgeneratoren te verminderen.

Het nieuwe Noordwestelijke onderzoek toont aan dat, in tegenstelling tot de aannames van sommigen, er stabiliteitsvoordelen zijn voor heterogeniteit in het elektriciteitsnet. Een team onder leiding van de Noordwestelijke natuurkundige Adilson Motter onderzocht verschillende elektriciteitsnetten in de VS en Europa en rapporteerde onlangs dat generatoren die op verschillende frequenties werken, sneller terugkeren naar hun normale toestand wanneer ze worden gedempt door "stroomonderbrekers" met verschillende snelheden dan generatoren om hen heen.

Het artikel werd op 5 maart in het tijdschrift gepubliceerd Nature Communications.

Motter is de Charles E. en Emma H. ​​Morrison Professor in de afdeling natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences. Zijn onderzoek richt zich op niet-lineaire verschijnselen in complexe systemen en netwerken.

Motter vergelijkt elektriciteitsnetten met een koor: “Het is een beetje zoals een koor zonder dirigent. De generatoren moeten naar anderen luisteren en synchroon praten. Ze reageren en reageren op elkaars frequenties. "

Luister naar een afwijkende frequentie en het resultaat kan een mislukking zijn. Gezien de onderling verbonden samenstelling van het systeem, kan een storing zich over het netwerk verspreiden. Historisch werden deze storingen voorkomen door actieve controllers te gebruiken. Storingen worden echter vaak juist veroorzaakt door bedienings- en apparatuurfouten. Dit wijst op de noodzaak om binnen het ontwerp van het systeem extra stabiliteit op te bouwen. Om dat te bereiken, onderzocht het team het benutten van de natuurlijke heterogeniteit van het netwerk.

Wanneer de frequenties van de stroomgeneratoren uit de synchrone toestand worden verplaatst, kunnen ze lange tijd rondzwaaien en zelfs grilliger worden. Om deze fluctuaties te verzachten, bedachten ze iets dat lijkt op een deurmechanisme dat wordt gebruikt om een ​​deur het snelst te sluiten, maar zonder dicht te slaan.

"Wiskundig gezien is het probleem van het dempen van frequentieafwijkingen in een stroomgenerator analoog aan het probleem van het optimaal dempen van een deur om deze het snelst te laten sluiten, wat een bekende oplossing heeft in het geval van een enkele deur," zei Motter. 'Maar in deze analogie is het geen enkele deur. Het is een netwerk van vele deuren die aan elkaar zijn gekoppeld, als je je de deuren kunt voorstellen als stroomgeneratoren. "

Bij het creëren van een "optimaal demping" -effect, ontdekten ze dat in plaats van elke demper identiek te maken, het dempen van de stroomgeneratoren op een manier die voldoende van elkaar verschilt, hun vermogen om zo snel mogelijk op dezelfde frequentie te synchroniseren verder kan optimaliseren. Dat wil zeggen, geschikte heterogene demping over het netwerk kan leiden tot verbeterde stabiliteit in de elektriciteitsnetten die door het team zijn bestudeerd.

Deze ontdekking zou gevolgen kunnen hebben voor toekomstig netontwerp, aangezien ontwikkelaars werken aan het optimaliseren van technologie en in overwegingen om nu gescheiden netwerken verder te integreren.

###

Het artikel is getiteld "Asymmetrie ten grondslag ligt aan stabiliteit in elektriciteitsnetten." Andere co-auteurs zijn onder meer voormalig postdoctoraal onderzoeker Ferenc Molnar en onderzoeksprofessor Takashi Nishikawa.

De studie werd ondersteund door het Finite Earth Initiative van Northwestern University (ondersteund door Leslie en Mac McQuown) en ARPA-E Award nr. DE-AR0000702 en profiteerde ook van logistieke steun van het Northwestern Institute for Sustainability and Energy.