Все это было относительно легко контролировать. Запустите турбины, используйте их для вращения генераторов и наблюдайте, как электроны текут устойчиво и предсказуемо, чтобы снова включить сеть и противостоять коротким замыканиям и другим неисправностям.

Но что, если мы говорим о ветроэлектростанции? Тот, который простирается по всей сельской местности. Тот, который не так устойчив и предсказуем. Тот, который зависит от дующего ветра. Что происходит, когда доминирующая над ветром сетка становится черной? Как инженерам создать ветряную электростанцию с сотнями отдельных генераторов, работающих вместе, чтобы возвращать электроэнергию в дома и предприятия?

Это одна из трех основных "грандиозных задач в науке об энергии ветра", согласно заголовку и статье в журнале за октябрь 2019 года. Наука. (Пол Вирс из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо является ведущим автором.)

Хьюго Вильегас Пико, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Harpole-Pentair в Университете штата Айова, увидел эту статью и подумал, что он мог бы разработать решения для третьей большой задачи: "оптимизация и управление парками ветряных установок, состоящих из сотен отдельных генераторов, работающих синергетически в рамках более крупной электросетевой системы".

В 2020 году Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США выделило ему и его исследовательской группе трехлетний грант в размере 729 349 долларов США на то, чтобы выяснить, как организовать восстановление ветровых электрических сетей после отключения электроэнергии.

В исследовательской статье, принятой к публикации в IEEE Transactions on Energy Conversion и недавно опубликованной онлайн, Виллегас Пико и Ваан Геворкян, главный инженер Национальной лаборатории возобновляемой энергетики, описывают разработку контроллеров формирования сети и подсистемы предотвращения сбоев, которая позволяет некоторым ветряным турбинам отключать электросеть.

Это важный шаг для повышения устойчивости ветроэлектростанций к отключениям электроэнергии.

"Если ветроэлектростанции не способны восстановить энергосистему, включение ветровых ресурсов в электрические сети может быть ограничено возможностями blackstart", - пишут исследователи в своей статье.

Айова, с установленной мощностью 11 660 мегаватт (еще 437 находятся в стадии строительства), производит 55% своей электроэнергии за счет ветров штата. Это делает ветроэлектростанции актуальной реальностью по всему штату.

Итак, что потребуется, чтобы использовать их для перезапуска сети после отключения электроэнергии?

Виллегас Пико говорит, что первой задачей для турбин "типа 4", которые оснащены полностью рассчитанными электронными преобразователями для передачи всей своей генерирующей мощности в сеть, была разработка стратегии управления формированием сети, которая позволяет турбинам работать в сети независимо от любых газовых или гидротурбин, что в настоящее время невозможно.

"Стратегия управления - это программный алгоритм", - сказал Вильегас Пико. "Это управляет работой ветряных турбин, чтобы они могли надежно восстанавливать энергосистемы".

В частности, программное обеспечение помогает турбинам работать вместе и выдерживать асимметричные сбои в электросети, такие как те, которые вызваны деревьями, которые разрушают и закорачивают часть передающей и распределительной сети.

Вторая задача заключалась в разработке системы активной защиты, которая предотвратила бы остановку ветряных турбин, если спрос на электроэнергию превышает доступный ветер во время восстановления после отключения электроэнергии.

Внедрив свои идеи в компьютерную модель, исследователи показали с помощью подробного моделирования, что их новые системы управления могут повторно питать энергосистему с преобладанием ветра, преодолевать асимметричные разломы и выдерживать низкоскоростные ветры.

В таком месте, как Айова, где появляется все больше и больше ветряных электростанций, Вильегас Пико сказал, что использование энергии ветра для восстановления электросетей может ускорить процесс. В наши дни просто много турбин, с которыми нужно работать.

Вильегас Пико сказал, что исследовательская группа также применяет эти достижения к другим классам ветряных турбин и к энергетическим системам, которые используют батареи для хранения энергии. В рамках проекта также разрабатываются инструменты искусственного интеллекта и прогнозирования погоды, которые помогут операторам организовать восстановление ветровых сетей.

Вильегас Пико сказал, что новые достижения могут быть всего через несколько лет использованы на ветроэлектростанциях и принести пользу коммунальным предприятиям и их клиентам.

"Наш вклад значителен для удовлетворения стандартов восстановления, надежности и интероперабельности", - пишут исследователи. "Они также важны для нет: ставят под угрозу процессы восстановления, приводят к экономическим потерям и ставят под угрозу жизни, например, если электричество имеет решающее значение для отопления в холодную погоду."