Un réseau électrique composé de quatre générateurs et de six bus (points de connexion). Les générateurs 1 et 2 et les bus 1 et 2 auxquels ils sont connectés deviennent un réseau symétrique pour le bus 5. De même, Les générateurs 3 et 4 et les bus 3 et 4 deviennent symétriques pour le bus 6. Les deux ensembles de groupes de générateurs et de bus symétriques sont représentés par les clusters 1 et 2. Crédit : Actes de l'IEEE
Une équipe de recherche conjointe de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et de l'Université d'État de Caroline du Nord a clarifié les principes fondamentaux pour parvenir à la synchronisation des groupes de générateurs d'électricité dans les réseaux électriques, ce qui est essentiel pour l'approvisionnement stable en énergie électrique. Sur la base de ce principe, l'équipe a développé une méthode pour construire un modèle agrégé d'un réseau électrique qui peut analyser et contrôler efficacement le comportement des groupes de générateurs (y compris les angles de phase du rotor et les tensions de point de connexion) avec une connexion complexe à un réseau électrique.
Il est connu que le phénomène de synchronisation des groupes de générateurs comme dans les centrales thermiques multiples est étroitement lié à la fourniture stable d'énergie électrique. Spécifiquement, si un générateur est désynchronisé, ce générateur et ses générateurs environnants ne pourront pas fonctionner de manière stable, et dans le pire des cas, des accidents graves tels que des pannes de courant peuvent se produire.
En outre, les problèmes énergétiques causés par le réchauffement climatique et l'épuisement des combustibles fossiles sont devenus plus graves à l'échelle mondiale. Par conséquent, du point de vue de la réduction du dioxyde de carbone et de l'utilisation systématique de l'énergie, des attentes élevées ont été placées sur les énergies renouvelables telles que celles caractérisées par la production photovoltaïque (PV). Lorsque des équipements de production photovoltaïque à grande échelle et des équipements de stockage d'énergie sont introduits, en plus de la production d'électricité telle que l'énergie thermique conventionnellement utilisée, hydraulique et nucléaire, il est nécessaire de prendre en compte la charge et la décharge de puissance par la production photovoltaïque et les batteries de stockage afin de maintenir l'équilibre entre l'offre et la demande. Cependant, la quantité d'énergie provenant de la production photovoltaïque fluctue car il existe une incertitude liée aux changements météorologiques et aux changements de volume de rayonnement solaire en fonction du fuseau horaire. Cela rend plus difficile le maintien de la synchronisation des groupes de générateurs. Le besoin d'analyser la synchronisation est plus grand que jamais.
Avec l'analyse conventionnelle, une approche majeure est basée sur la simulation numérique. Il n'y a pas d'études qui clarifient théoriquement les principes de base sur la façon de synchroniser correctement les groupes de générateurs en fonction de la structure du réseau de transport d'électricité. Il est urgent de créer un cadre d'offre et de demande d'électricité qui utilise efficacement les équipements de stockage d'énergie pour tenir compte de l'incertitude de la production photovoltaïque et des prévisions de la demande.
Cluster synchronisé d'un modèle agrégé obtenu en intégrant simultanément les deux ensembles de groupes de générateurs et de groupes de bus (point de connexion) symétriques de la figure 1. D'après la loi d'Ohm et la loi de Kirchhoff, il s'agit d'un modèle agrégé mathématiquement et physiquement réalisable. Crédit: Actes de l'IEEE
Aperçu des réalisations de la recherche
Professeur adjoint Takayuki Ishizaki, Professeur Jun-ichi Imura de Tokyo Tech, et le professeur agrégé Aranya Chakrabortty du NSF ERC FREEDM System Center de la North Carolina State University ont travaillé sur plusieurs études, notamment la modélisation du réseau électrique, analyse de stabilité, et le contrôle de stabilisation du point de vue de la théorie des graphes. Ils ont précisé que la symétrie du réseau dans la théorie des graphes est le principe fondamental pour réaliser la synchronisation des groupes de générateurs dans les centrales thermiques intégrées aux réseaux électriques (connectées à un réseau).
Le comportement des générateurs connectés via un réseau dans un réseau électrique est représenté par des équations complexes (équations algébriques différentielles) qui combinent des équations différentielles et des équations algébriques. Les équations différentielles expriment le "comportement des générateurs" dérivé de la deuxième loi du mouvement de Newton, et les équations algébriques expriment le « bilan de puissance aux points de connexion au réseau électrique » dérivé de la loi d'Ohm et de la loi de Kirchhoff. L'analyse de ces équations algébriques différentielles était généralement effectuée par transformation en une équation différentielle mathématiquement équivalente par une méthode de simplification appelée la réduction de Kron. Cependant, puisque l'équation algébrique représentant le réseau électrique est supprimée en supprimant la variable redondante représentant la tension au point de raccordement, il n'était pas adapté pour analyser la relation entre la structure du réseau électrique et le comportement du générateur.
Pour résoudre ce problème, ils ont analysé la structure du réseau électrique contenu dans les équations algébriques du point de vue de la symétrie sur la base d'une compréhension de la théorie des graphes. Spécifiquement, en analysant le comportement du générateur sans éliminer les équations algébriques, ils ont découvert que la symétrie du réseau électrique (Figure 1) est le principe de base pour réaliser la synchronisation des groupes de générateurs. En outre, sur la base d'une nouvelle idée d'intégrer simultanément des groupes de générateurs à comportement synchrone et le réseau électrique qui les couple, il est devenu possible de construire mathématiquement et physiquement un modèle agrégé réalisable (figure 2).
On s'attend à ce que cette réalisation se traduise par une base pour le développement de méthodes d'analyse et de contrôle pour réaliser une alimentation électrique stable de grands et complexes systèmes d'alimentation électrique. À l'avenir, Le professeur Imura dit qu'il vise à développer des systèmes d'alimentation électrique plus complexes, y compris des convertisseurs, et d'établir une théorie pour approcher la synchronisation des groupes de générateurs.
Ce résultat de recherche a été publié dans Actes de l'IEEE le 25 avril, 2018.
