Vielfalt kann Ausfälle in großen Stromnetzen verhindern

Das Stromnetz arbeitet mit großen Bereichen für Verbesserungen und Forschung. Bildnachweis: Matthew Henry

Die jüngsten Stromausfälle in Texas haben darauf aufmerksam gemacht, dass das Stromnetz vom Rest des Landes getrennt ist. Obwohl nicht sofort klar ist, ob die Integration mit anderen Teilen des nationalen Stromnetzes die Notwendigkeit von Rollausfällen vollständig beseitigt hätte, war die Unfähigkeit des Staates, erhebliche Strommengen zu importieren, ausschlaggebend für den Stromausfall.

Ein größeres Stromnetz hat Vorteile, aber auch Gefahren, die Forscher der Northwestern University anzugehen hoffen, um die Integration und Verbesserungen des Systems zu beschleunigen.

Eine offensichtliche Herausforderung in größeren Netzen besteht darin, dass sich Ausfälle weiter ausbreiten können – im Fall von Texas – über Staatsgrenzen hinweg. Ein weiterer Grund ist, dass alle Stromgeneratoren auf eine gemeinsame Frequenz synchronisiert werden müssen, um Energie zu übertragen. Die USA werden von drei “getrennten” Netzen versorgt: Die östliche Verbindungsleitung, die westliche Verbindungsleitung und die texanische Verbindungsleitung, die nur durch Gleichstromleitungen miteinander verbunden sind. Jede anhaltende Frequenzabweichung innerhalb einer Region kann zu einem Ausfall führen.

Infolgedessen suchen Forscher nach Möglichkeiten, das Netz zu stabilisieren, indem sie nach Methoden suchen, um Abweichungen in den Frequenzen der Stromgeneratoren zu mindern.

Die neue Northwestern-Forschung zeigt, dass im Gegensatz zu einigen Annahmen die Heterogenität im Stromnetz Stabilitätsvorteile bringt. Ein Team unter der Leitung des nordwestlichen Physikers Adilson Motter untersuchte mehrere Stromnetze in den USA und Europa und berichtete kürzlich, dass Generatoren, die mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, schneller in ihren Normalzustand zurückkehren, wenn sie von “Unterbrechern” mit unterschiedlichen Raten gedämpft werden als Generatoren in ihrer Umgebung.

Das Papier wurde am 5. März in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Motter ist Professor für Charles E. und Emma H. ​​Morrison in der Abteilung für Physik und Astronomie am Weinberg College of Arts and Sciences. Seine Forschung konzentriert sich auf nichtlineare Phänomene in komplexen Systemen und Netzwerken.

Motter vergleicht Stromnetze mit einem Chor: „Es ist ein bisschen wie ein Chor ohne Dirigent. Die Generatoren müssen auf andere hören und synchron sprechen. Sie reagieren und reagieren auf die Frequenzen der anderen.“

Hören Sie auf eine aus dem Gleichgewicht geratene Frequenz, und das Ergebnis kann ein Fehler sein. Angesichts des vernetzten Aufbaus des Systems kann sich ein Fehler über das Netzwerk ausbreiten. In der Vergangenheit wurden diese Fehlfunktionen durch die Verwendung aktiver Controller verhindert. Ausfälle werden jedoch häufig gerade durch Steuerungs- und Gerätefehler verursacht. Dies weist auf die Notwendigkeit hin, zusätzliche Stabilität in das Design des Systems einzubauen. Um dies zu erreichen, untersuchte das Team die Nutzung der natürlichen Heterogenitäten des Netzes.

Wenn die Frequenzen der Stromgeneratoren aus dem Synchronzustand verschoben werden, können sie lange herumschwingen und sogar unregelmäßiger werden. Um diese Schwankungen abzumildern, haben sie sich etwas ausgedacht, das einem Türmechanismus ähnelt, mit dem eine Tür am schnellsten, aber ohne zuzuschlagen, geschlossen wird.

„Mathematisch gesehen ist das Problem, Frequenzabweichungen in einem Stromgenerator zu dämpfen, analog zu dem Problem, eine Tür optimal zu dämpfen, damit sie am schnellsten schließt, was im Fall einer einzelnen Tür eine bekannte Lösung hat“, sagte Motter. „Aber es ist in dieser Analogie nicht eine einzelne Tür. Es ist ein Netzwerk aus vielen Türen, die miteinander gekoppelt sind, wenn man sich die Türen als Stromgeneratoren vorstellen kann.“

Bei der Schaffung eines “optimalen Dämpfungseffekts” entdeckten sie, dass, anstatt jeden Dämpfer identisch zu machen, die Dämpfung der Stromgeneratoren in einer angemessen unterschiedlichen Weise ihre Fähigkeit, sich so schnell wie möglich auf dieselbe Frequenz zu synchronisieren, weiter optimieren kann. Das heißt, eine angemessen heterogene Dämpfung im gesamten Netzwerk kann zu einer verbesserten Stabilität in den vom Team untersuchten Stromnetzen führen.

Diese Entdeckung könnte Auswirkungen auf das zukünftige Grid-Design haben, da Entwickler an der Optimierung der Technologie arbeiten und Überlegungen zur weiteren Integration jetzt getrennter Netzwerke anstellen.


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