Toshiba Corporation a démontré l'efficacité de son onduleur formant grille (GFM), qui a été développé pour assurer la stabilité des micro-réseaux. Un micro-réseau est un type de système énergétique distribué qui permet l'autosuffisance régionale en électricité grâce à l'utilisation d'énergies renouvelables, plutôt que de dépendre de l'alimentation électrique de centrales électriques à grande échelle. Lorsqu'il y a une fluctuation soudaine de la production ou de la demande d'énergie électrique, une fréquence normalement stable peut fluctuer considérablement, déclenchant éventuellement un relais de protection et coupant l'alimentation électrique, entraînant des pannes de courant. En particulier, à mesure que la part des énergies renouvelables augmente, les fluctuations de la fréquence du réseau augmentent. En particulier, les fluctuations de fréquence augmenteront avec l'augmentation des ratios d'énergie renouvelable, de sorte que l'utilisation généralisée des micro-réseaux nécessitera des technologies pour maintenir une fréquence de réseau stable.

En mars 2022, Toshiba a développé un onduleur GFM qui peut maintenir la fréquence du réseau des systèmes de distribution en fournissant une pseudo-inertie grâce à la puissance de sortie de l'onduleur lorsque la fréquence du réseau fluctue rapidement. La société a maintenant vérifié les résultats de l'utilisation des onduleurs GFM dans un environnement similaire à des environnements réels, y compris l'utilisation réelle d'énergie renouvelable, et a démontré que le montage d'onduleurs GFM sur des générateurs d'énergie photovoltaïque supprime les baisses de fréquence du réseau d'environ 30 %.

Toshiba prévoit de présenter les détails de ces résultats à la conférence annuelle de la Power and Energy Society de l'Institute of Electrical Engineers of Japan en septembre 2022 et au congrès et exposition IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE2022) en octobre 2022.

Toshiba a commandé cette recherche dans le cadre de "L'onduleur synchrone intelligent (SSI) et ses systèmes de contrôle basés sur la synchronisation virtuelle avec des réseaux électriques pour utiliser l'énergie provenant de plusieurs sources d'énergie renouvelables" dans le cadre du projet fiscal 2019-2021 du ministère de l'Environnement pour la technologie à faible émission de carbone Programme de recherche, de développement et de démonstration. Ce travail a été mené en collaboration avec Pacific Power Co., Ltd., Energy &Environment Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology et Pacific Consultants Co., Ltd.

Contexte de développement

En octobre 2020, le gouvernement japonais a déclaré l'objectif d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050 et, dans le but de réaliser une société décarbonée, promeut l'utilisation de l'énergie solaire, de l'énergie éolienne et d'autres formes d'énergie renouvelable comme principales sources d'énergie. Le sixième plan énergétique stratégique, approuvé par le Cabinet le 22 octobre 2021, stipule que "pour utiliser les ressources énergétiques distribuées telles que les énergies renouvelables et la cogénération dans les communautés locales, nous espérons voir la création de micro-réseaux et d'autres sources d'énergie autonomes et distribuées systèmes, qui contribueront également à une utilisation efficace de l'énergie grâce à la production locale pour la consommation locale, renforceront la résilience, etc. », indiquant des attentes croissantes pour les micro-réseaux (Figure 1) qui peuvent fournir une autosuffisance énergétique en cas de pannes dues à des catastrophes.

À l'étranger, en plus de résoudre les problèmes environnementaux, de nombreux projets ont été menés dans des pays asiatiques et africains pour construire des micro-réseaux utilisant des énergies renouvelables et des batteries de stockage qui fourniront de l'électricité dans des zones où les réseaux électriques ne sont pas développés (zones hors réseau). En 2015, la capacité mondiale des micro-réseaux dépassait 12 000 mégawatts, et une nouvelle expansion est prévue à l'avenir.

Dans un système d'alimentation en masse conventionnel, même en cas de fluctuations de la demande ou de la production d'énergie renouvelable, l'inertie (la propriété qui tente de maintenir un état) des corps rotatifs tels que les turbines utilisées pour la production d'énergie thermique supprime les changements rapides de fréquence du système, maintenant ainsi une alimentation électrique stable. Cependant, si l'énergie renouvelable devient la principale source d'énergie à l'avenir et qu'il y a une diminution du rapport des sources d'énergie telles que la production d'énergie thermique qui utilise de grandes turbines, alors il y aura moins de force d'inertie des corps en rotation, ce qui peut affecter la stabilité de l'énergie électrique. source de courant. Les coûts estimés des mesures visant à faire face à une telle pénurie d'inertie vont de 5,1 à 12,9 milliards de yens par an si le taux d'énergie renouvelable dans le système d'alimentation en masse devient de 50 % à 60 %.

L'énergie solaire et éolienne sont supposées être les principales sources d'énergie dans les micro-réseaux, qui sont des systèmes énergétiques à petite échelle par rapport au système d'alimentation en masse. La quantité d'électricité produite fluctue en fonction des conditions météorologiques et il n'y a aucun lien avec les centrales thermiques qui utilisent de grandes turbines. De ce fait, l'instabilité de l'alimentation due à un manque d'inertie sera encore plus prononcée. Pour assurer la stabilité des micro-réseaux, il sera donc essentiel de développer des technologies permettant de compenser le manque d'inertie et de stabiliser les alimentations électriques, et de démontrer ces technologies et de les mettre en pratique dès que possible.

Caractéristiques de la technologie

Toshiba a développé un prototype d'onduleur GFM qui fournit une inertie synthétique et supprime les fluctuations de la fréquence du réseau dans les systèmes de distribution même lorsque des fluctuations de l'alimentation ou de la demande de puissance se produisent (Figure 2) et a démontré son efficacité. Toshiba a mis en place un algorithme de contrôle de l'onduleur GFM dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie au lieu de l'algorithme de contrôle conventionnel sans inertie, et lorsqu'il y a des fluctuations rapides de la production d'énergie renouvelable ou des demandes de puissance, l'onduleur produit de la puissance et génère une inertie synthétique pour maintenir le réseau la fréquence. Cela supprime instantanément les chutes soudaines de fréquence, réalisant une alimentation électrique stable.

Toshiba avait également procédé à une vérification de cet onduleur implémenté dans un microgrid simulé. Le micro-réseau simulé a supposé une fréquence de réseau de 50 Hz (la fréquence de réseau utilisée dans l'est du Japon) et un taux d'énergie renouvelable de 40 %, combinant cinq systèmes de stockage d'énergie par batterie (puissance de 20 kW, capacité de batterie de 14,9 kWh) équipés d'onduleurs GFM, un système diesel générateur synchrone (calibre 125 kVA) avec un moteur à combustion interne et deux bancs de charge permettant de faire varier la charge de puissance. Lors de cette vérification, il a été démontré que sous des fluctuations de charge de 50 kW, les réductions de fréquence du réseau étaient supprimées de 70 %, de 2,4 Hz (50,0 à 47,6 Hz) à 0,6 Hz (50,0 Hz à 49,4 Hz). Le seuil de fréquence des interruptions de l'alimentation électrique dues aux fluctuations de la fréquence du réseau dans l'est du Japon est fixé à 48,5 Hz, et des vérifications à l'aide d'équipements réels ont assuré que la fréquence ne tombait pas en dessous de ce seuil, démontrant la réalisation d'une alimentation électrique stable qui évite les pannes de courant. Il s'agit de la première démonstration au monde du fonctionnement en parallèle d'un générateur diesel synchrone et d'un onduleur.

Pour vérifier les effets de l'onduleur GFM dans un état similaire aux conditions réelles, Toshiba a effectué un test de vérification en utilisant un seul système d'énergie solaire photovoltaïque (puissance de 20 kW) et un générateur diesel synchrone (puissance de 125 kVA) équipé d'un onduleur GFM. , au lieu d'utiliser les systèmes de stockage d'énergie par batterie équipés d'un onduleur GFM. Dans cette vérification, il a été démontré que la diminution de la fréquence du réseau était supprimée d'environ 30 %, de 1 Hz (50,0 à 49,0 Hz) à 0,7 Hz (50,0 à 49,3 Hz) lorsque la fluctuation de charge était de 20 kW (Figure 3). Dans la configuration combinée avec les systèmes de stockage d'énergie, nous avons également vérifié l'effet de suppression de la diminution de la fréquence du réseau de 70 %, de 2,2 Hz (50,1 à 47,9 Hz) à 0,6 Hz (50,2 à 49,6 Hz), à la fois lors de la décharge des batteries de stockage et lors de leur recharge (Figure 4). Cela devrait contribuer à la stabilité du réseau lors de la recharge des véhicules électriques. Toshiba a également vérifié que la charge instantanée sur l'onduleur GFM peut être réduite de 30 %, de 22 à 16 kW, en sélectionnant une inertie adaptée au fonctionnement en parallèle de générateurs synchrones avec moteurs à combustion interne, comme ceux qui devraient être utilisés dans un micro-réseau (Figure 5).

Pour réaliser une société décarbonée d'ici 2050, le gouvernement japonais a formulé sa "feuille de route régionale de décarbonation" pour développer des mesures par la collaboration et la co-création entre les gouvernements nationaux et locaux, et a indiqué une politique pour "réaliser des communautés décarbonées, robustes et dynamiques à travers le pays, sans attendre 2050. » Dans le but d'utiliser l'onduleur GFM développé pour les micro-réseaux, Toshiba continuera à s'engager dans la recherche, le développement et les démonstrations pour une commercialisation précoce. + Explorer plus loin

Simuler le rôle des onduleurs formant le réseau dans le futur réseau électrique