A diagnostic of voltage infeasibility at low net load and the role of inverter-based grid support

Het elektriciteitsnet is een enorme, delicate machine die de vraag en het aanbod op het moment dat ze optreden, direct in balans moet houden. Wanneer de zon fel schijnt en de wind hard waait, kunnen hernieuwbare bronnen zoals zonneparken en windparken zoveel elektriciteit produceren dat ze het grootste deel van de dagelijkse behoefte kunnen dekken. In deze momenten van lage vraag worden de traditionele centrales die het systeem normaal gesproken stabiel houden, vaak uitgeschakeld om geld te besparen. Dit laat het net achter met minder grote machines die in staat zijn om de spanning aan te passen, de elektrische druk die de stroom door de draden duwt. Als die druk te hoog wordt, kan dit apparatuur beschadigen en een black-out veroorzaken; als deze te laag wordt, flikkeren lichten en vallen apparaten uit. Jarenlang hebben ingenieurs zich zorgen gemaakt dat wanneer hernieuwbare energie domineert, het net zou lijden onder een te hoge spanning, een conditie die leek te vragen om overtollige energie te absorberen om de druk omlaag te brengen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Sevilla in Spanje heeft dit lang gevestigde uitgangspunt uitgedaagd. Zij onderzochten wat er gebeurt wanneer het net wordt overspoeld met hernieuwbare energie en traditionele centrales worden uitgeschakeld, een scenario dat onlangs leidde tot een grote black-out op het Iberisch Schiereiland. Met behulp van geavanceerde computersimulaties van drie verschillende elektrische netwerken ontwikkelden zij een nieuwe manier om te diagnosticeren waarom een netwerk faalt. Hun werk onthult dat wanneer de spanning te hoog wordt in deze uren met een lage vraag, dit vaak een teken is van het tegenovergestelde probleem: een wanhopig gebrek aan ondersteuning, niet een overschot aan vermogen. De onderzoekers ontdekten dat het simpelweg proberen te absorberen van energie, zoals standaard veiligheidscontroles vaak suggereren, de situatie alleen maar zou verergeren. In plaats daarvan ligt de oplossing in het online houden van specifieke centrales om actieve ondersteuning te bieden en ervoor te zorgen dat batterijopslagsystemen niet doorgaan met het opnemen van vermogen wanneer hun lokale generatoren uitvallen.

De studie begon met het bekijken van de uren waarin hernieuwbare energie bijna de volledige vraag dekt. In deze tijden schakelt een op kosten gerichte systematiek de meeste grote, synchrone generatoren uit die traditioneel de spanning stabiel houden. De onderzoekers stelden een eenvoudige maar cruciale vraag: kan de resterende apparatuur de spanning binnen veilige grenzen houden vóór en na het plotseling uitvallen van één enkele centrale? Om dit te beantwoorden, bouwden zij een diagnostisch hulpmiddel dat werkt als een medische scan voor het net. In plaats van alleen te kijken naar waar de spanning het hoogst is, simuleert het hulpmiddel duizenden scenario's om te bepalen of het systeem echt faalt omdat het te veel energie heeft of omdat het er een tekort aan heeft. Zij testten dit op een klein negen-bus systeem, een groter negenendertig-bus netwerk, en een complex drieënzeventig-bus model van een echt wereldwijd netwerk, waarbij simulaties werden gedraaid voor de uren waarin de vraag het laagst en de opbrengst van hernieuwbare energie het hoogst was.

De resultaten waren verrassend en contra-intuïtief. In bijna alle gevallen waarin het net faalde, kampte het systeem eigenlijk met een tekort aan reactief vermogen, een vorm van energie die nodig is om de spanning te handhaven, in plaats van met een overschot aan vermogen. De onderzoekers ontdekten een specifiek mechanisme dat ervoor zorgt dat de spanning gevaarlijk hoog piekt. Stel je een lange, licht belaste kabel voor die van een energiebron naar een afgelegen stad loopt. Omdat de kabel niet veel stroom vervoert, genereert de kabel van nature zijn eigen spanning, waardoor de druk aan het verre uiteinde omhoog wordt geduwd. Om te voorkomen dat de spanning in de afgelegen stad te laag wordt, wordt het systeem gedwongen de spanning bij de bron nog hoger te maken. Deze actie duwt de spanning aan het uiteinde van de kabel boven de veiligheidslimiet. Een standaard controle ziet de hoge spanning aan het uiteinde van de kabel en neemt aan dat er te veel vermogen is, en suggereert de installatie van apparaten om energie te absorberen. De onderzoekers toonden echter aan dat dit de verkeerde zet zou zijn. Het echte probleem was dat de afgelegen stad meer ondersteuning nodig had, niet minder. Het toevoegen van apparaten om energie te absorberen aan het uiteinde van de kabel maakte de spanning zelfs nog hoger, wat de uitval verergerde.

De studie onderzocht ook hoe moderne centrales, die omvormers gebruiken om verbinding te maken met het net, kunnen helpen. Deze centrales kunnen worden geprogrammeerd om de spanning direct te regelen, waardoor ze fungeren als de traditionele generatoren die zij vervangen. De onderzoekers ontdekten dat wanneer deze centrales worden ingesteld om de spanning te regelen, het aantal veilige, operationele uren drastisch stijgt. In één groot systeem steeg het aandeel uren waarin veilig kon worden geëxploiteerd van slechts negen procent naar drieënzeventig procent wanneer centrales gebruik maakten van spanningsregeling in plaats van een vaste instelling. Deze verbetering kwam voornamelijk voort uit het vermogen van de centrales om op aanvraag reactief vermogen te genereren of te absorberen. Zelfs als de centrales slechts de helft van de gebruikelijke capaciteit hadden om dit te doen, presteerden ze net zo goed als centrales met volledige capaciteit die op een vaste output waren ingesteld. De sleutel was het vermogen om dynamisch aan te passen, waardoor de lus werd gesloten om de spanning stabiel te houden terwijl de omstandigheden veranderden.

Een ander cruciaal bevinding betrof de batterijen die vaak samen met deze hernieuwbare centrales worden geplaatst. In veel huidige ontwerpen kan het voorkomen dat als een zonne- of windcentrale uitvalt, de batterij op dezelfde locatie blijft opladen, waardoor er vermogen uit het net wordt getrokken. De onderzoekers ontdekten dat dit gedrag gevaarlijk kan zijn. Wanneer de centrale uitvalt, verliest het gebied een energiebron, maar als de batterij blijft opladen, fungeert deze als een extra belasting, waardoor het lokale tekort aan energie dieper wordt. In hun simulaties zorgde een batterij die bleef opladen nadat de bijbehorende centrale uitviel, ervoor dat de mogelijkheid om veilig te opereren in ongeveer een kwart van de gevallen verdween waar het systeem anders stabiel was. Cruciaal was dat de batterij die het probleem veroorzaakte, niet altijd de batterij was op de locatie van de grootste storing. Het was vaak een batterij op een andere locatie die een afgelegen, kwetsbaar deel van het net van stroom voorzag. Dit betekent dat veiligheidsregels zich niet alleen moeten richten op de locatie van de grootste uitval; ze moeten eisen dat elke batterij die met een centrale is verbonden, onmiddellijk stopt met opladen als die centrale uitvalt.

De onderzoekers concludeerden dat de standaardmanier om netwerkstoringen te interpreteren vaak misleidend is. Wanneer een veiligheidscontrole een hoge spanning signaleert, betekent dit niet automatisch dat het systeem te veel vermogen heeft. In de uren met een lage vraag in een toekomst met veel hernieuwbare energie, is een hoge spanningsmeting vaak een symptoom van een lokaal tekort, waarbij het net te dun wordt uitgerekt om een afgelegen belasting te ondersteunen. De oplossing is niet om energie te absorberen, maar om het te leveren waar het ontbreekt, hetzij door nabijgelegen traditionele eenheden online te houden, hetzij door de spanningsregelcapaciteiten van moderne omvormers te gebruiken. Het diagnostische hulpmiddel dat zij hebben gecreëerd, kan het verschil tussen deze twee situaties aangeven zonder de gedetailleerde lay-out van het netwerk te hoeven kennen, wat een duidelijk pad biedt voor operators om het licht aan te houden. Door te begrijpen dat een hoge spanning een gebrek aan ondersteuning kan signaleren, kunnen netbeheerders voorkomen dat zij de verkeerde oplossing toepassen en in plaats daarvan het net versterken op de plekken waar het het zwakst is.