途切れのないエネルギーを実現する明日の自己修復電力網を構築する

パワー エレクトロニクス インサイダー

サンディア国立研究所の電気技師マイケル・ロップ氏と彼のチームは、電力網の回復力、信頼性、自己修復性を向上させるコードのライブラリを作成しました。 (画像:クレイグ・フリッツ)

ハリケーンや悪意のある攻撃者のグループに襲われた場合でも、適応して回復し、中断のない電力を確保できる自己修復グリッドの潜在的な価値を想像するのは難しくありません。サンディア国立研究所とニューメキシコ州立大学のチームは、最先端のアルゴリズム ライブラリを使用してこのビジョンを実現しています。これらのアルゴリズムをグリッド リレーにコーディングすることで、システムは、グリッド オペレーターが修理を開始したり指示を出したりする前に、できるだけ多くの病院、食料品店、家庭の電力を迅速に復旧できます。

「最終的な目標は、状況が非常に悪化したときにシステムが自己修復し、アドホックな構成を形成できるようにすることです」とサンディアの電気エンジニアでプロジェクトリーダーのマイケル・ロップ氏は述べています。 「システムが損傷または侵害された後、システムは、できるだけ多くの顧客に電力を供給する新しい定常状態に到達する方法を自動的に判断できます。これが、私たちが『自己修復』という意味です。重要なのは、完全にローカル測定でそれを行っているため、高価な光ファイバーや人間のコントローラーは必要ないということです。」

ロップ氏や他の多くの人々が構想している将来の電力網には、屋上ソーラーパネルや風力タービンなどの再生可能エネルギー供給源がさらに増え、バッテリーバンクなどのローカルエネルギー貯蔵システムも備えられることになる。これらのシステムの多くは、主要送電網がダウンした場合でも、病院、水処理施設、その他の重要なインフラの周囲に電力の小さな「島」であるマイクログリッドを形成できるようになります。このサンディア プロジェクトにより、これらのマイクログリッドは損傷したときに自動的に修復し、相互に接続して電力を共有し、できるだけ多くの顧客にサービスを提供できるようになります。

マイクログリッドはグリッドの回復力を高めることができますが、エネルギー生産とエネルギー消費のバランスをとることや、システムの一部が損傷したり利用できなくなった場合の再構成など、特定の重要な機能を自動的に実行する必要があります。この自己修復機能は、たとえば、回路内に意図しないループを形成するなど、問題を引き起こす方法でのマイクログリッドの接続を回避できなければなりません。

現在、電力インバーターを使用するマイクログリッドでこれを実現するには、事業者は高価な高速通信を設置する必要がありますが、災害時には信頼性が低く、サイバー攻撃に対して脆弱になる可能性があります。 Ropp 氏によると、このプロジェクトの目的は、個々のデバイスが実行できる測定のみを使用して自己修復をサポートし、信頼性を高めながらコストを削減することです。

多数のインバータを備えたマイクログリッドが実行する必要がある重要な機能の 1 つは、電力の需要が供給を上回ったときに少数の顧客を遮断することです。天然ガス、石炭、原子力発電所で電力を供給する送電網では、この需要と供給の不均衡が生じると、送電網の周波数が低下します。既存のリレー アルゴリズムがこれを検出すると、グリッドの一部への電力供給が切断されます。しかし、マイクログリッドに電力を供給するために設計されたインバーターが過負荷になると、電源の電圧の調整を停止し、電圧が低下するとロップ氏は述べた。チームは、この電圧低下を利用して、重要度の低い顧客への電力供給をいつ切断するかをリレーに伝えるアルゴリズムを開発しました。

ハリケーンや地震などの自然災害の発生後、病院、福祉施設、水処理施設は特に重要となるため、電力を供給し続けることが重要です。銀行、食料品店、避難所となるレクリエーション センターや学校も、コミュニティの機能にとって非常に重要です。

チームはまた、損傷領域を回避する方法でシステムが自己組織化できるようにするアルゴリズムも開発しました。彼らは、コンピューター支援設計ソフトウェアを使用して、相互接続された 3 つのマイクログリッドからなる小規模システムをモデル化し、通信がなくても、そのアルゴリズムによってシステムが発電と消費のバランスをとり、倒木した送電線や損傷した発電所などの特定の問題を切り分け、問題を回避して重要な施設に電力を復旧できることを示したとロップ氏は述べました。

北米のグリッド インフラストラクチャのほとんどは、住宅、オフィス、その他の平均的な顧客への一方向の電力の流れを備えた単一の電力線を持つように設計されています。したがって、現在、送電網はループで動作させたときに安定するように設計されていない、とロップ氏と、プロジェクトに携わったもう一人のサンディア電気技術者マシュー・リノ氏は述べた。システムの特定のカスタム設計部分のみがループとして動作できます。

マイクログリッドや屋上太陽光発電などの分散型リソースは、全体的な回復力を高めますが、グリッドが不安定なループに組み立てられる可能性もあります。 Reno 氏は次のように述べています。「スイッチを閉じるとループが形成されるように、両側がすでに接続されているかどうかを判断するために、可能な測定値を考え出そうとしていました。」

研究チームは、ブレーカーの両側のグリッド部分に同じ電源が供給されているかどうかを判断するためにブレーカーが使用できるいくつかの数学的手法を検討し、この目的にはそのような 2 つの手法が機能することを確認しました。研究者らは、科学雑誌IEEE Transactions on Power Deliveryに掲載された論文でこれらの方法の比較を共有しました。 .

同チームは、同様の問題の解決策にも取り組んでいる。通常はシステムの末端にある電力線が、定格を超える電流を供給していることに気付いた場合にどうするかという問題だ。彼らは、過負荷になった回線リレーが特定のパターンで開閉することで電圧を変調するモールス信号のような方法を開発したため、優先度の低い顧客用のリレーはこのパターンを検出し、回線が過負荷でなくなるまで自らを切断できるとロップ氏は述べた。これは通信とみなされる可能性がありますが、ハッカーに対して脆弱になる可能性がある別のシステムや人間のオペレーターは必要ありません。電力線自体を使用して信号を送信します。

研究者らは、これらの手法のパフォーマンスを向上させる方法に取り組んできました。たとえば、問題が検出されたときにマイクログリッドをより小さなサブマイクログリッドに迅速に分割する方法を開発しました。これにより、問題が 1 つのサブマイクログリッドのみに分離され、他のサブマイクログリッドが正常に動作できるようになることが期待されています。チームの最初のテストでは、マイクログリッドの境界点を定義するこの方法は機能することもありますが、常に機能するわけではないため、やるべきことはまだあることが示唆されています。

ロップ氏とそのチームは、ラインおよび負荷リレーのメーカーと協力して、自社の製品にアルゴリズムのライブラリを組み込んでいきたいと考えています。まずハードウェアインザループのテストベッドでテストし、次にサンディアの分散型エネルギー技術研究所やニューメキシコ州立大学の同様の中電圧施設などのテスト施設で実際にテストする可能性もあるとラブロバ氏は述べました。

「私たちは、これを人々、特にあらゆる電気回路のあらゆる地点に光ファイバー通信を設置する余裕がない低所得地域社会で実際に利用できるものにしたいと考えています」とロップ氏は述べた。 「当社のアルゴリズム ライブラリを使用すると、非常に優れたパフォーマンスと優れた回復力を得ることができます。また、通信ができる場合には、これはバックアップとして使用できます。」

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