Meny

Oppdagelse kan sikre stabil strømforsyning

Du vil definitivt ha stabil tilgang på elektrisitet til alle dingsene dine. Dette blir mer og mer vrient. Men forskere jobber med saken. Foto: Thinkstock.

Denne artikkelen er over ett år gammel og kan innholde utdatert informasjon

Solcellepaneler og vindmøller på eget tak blir antagelig vanlig i framtiden. Men det er vrient å produsere stabil strøm fra små kilder. Elekriske apparater kan lett skades. En ny metode kan løse problemet.

STABIL STRØM: Du vil definitivt ha stabil tilgang på elektrisitet, fordi dingsene dine kan slutte å virke, eller virke dårligere, om variasjonen i spenning og frekvens blir for stor.

Men det blir mer og mer vrient å levere stabil tilgang på elektrisitet, spesielt etter hvert som husstandene begynner å bidra med elektrisitet fra solceller og små vindkraftverk også.

For å analysere og styre et kraftnett er du avhengig av å få presise målinger og at disse representeres riktig. En ny metode kan bety et stort fremskritt. Illustrasjon: Thinkstock.

Forskere ved NTNU har tatt i bruk en ny metode for å analysere frekvensrelaterte fenomen i elkraftsystemer. Den nye oppdagelsen kan få stor betydning for elektriske kraftsystemer i framtida.

Dette høres kanskje litt fjernt ut, men kjernen er at en stabil tilgang på elektrisitet er helt avhengig av at delsystemer fungerer sammen og da er tidsvariasjoner i spenning og frekvens viktige.

For å analysere og styre et kraftnett er du avhengig av å få presise målinger og at disse representeres riktig. Alt annet baserer seg på at målingene er nøyaktige og tolkes rett.

Les også: Ikke alle kan lade elbilen samtidig

Varierer hele tiden

– Den nye analysemetoden for tidsvarierende frekvens har store fordeler i forhold til metodene som er brukt tidligere, og kan ha et stor innvirkning, sier professor Olav B. Fosso, direktør for NTNUs tematiske satsingsområde Energi.

Frekvens

Den klassiske definisjon for frekvens er hvor ofte et periodisk fenomen gjentar seg per tidsenhet, for eksempel hvor mange ganger en pendel eller en bølge svinger, et hjul roterer eller en spenning veksler i løpet av et sekund. (Kilde: snl.no)

Den momentane frekvensen er definert som den tidsderiverte av fasevinkelen for et gitt signal.

I praksis er en helt stabil frekvens nær umulig nå. Ingen systemer er perfekte, og frekvensen vil egentlig variere hele tiden.

Den nye metoden kan gi en mer presis beskrivelse av variasjoner i nettspenningens frekvens. Slike variasjoner i frekvens kan være pendlinger rundt en middelverdi, men med ulike periodelengder. (Se faktaboks.)

Tilnærminger har fungert greit

Dagens mest brukte metode for å analysere periodiske variasjoner i nettspenningens frekvens, Fourier-analyse, bygger på forutsetninger som i praksis ikke alltid er oppfylt, men som har fungert greit med den strukturen som elektrisitetsnettet har hatt.

Utstrakt bruk av kraftelektronikk med omformerløsninger kan gi andre utfordringer både i store og små nett.

Det er eksempler på at store vindparker har vært ute av drift i lange perioder på grunn av at delsystemene for styring og regulering ikke har fungert sammen. Men det har så langt vært vanskelig å finne årsakene.

Styrken til den nye analysemetoden er at den sikrere finner frekvenskomponentene som inngår i variasjonene i nettspenningfrekvens, slik at det kan tas inn i utformingen av styringssystemene.

Ikke godt nok i små systemer

Små systemer blir bare mer og mer vanlige, og solcellepaneler og vindmøller på taket er et syn du blir vant til. Illustrasjon: Thinkstock.

Tidsvarierende spenning og frekvens blir mer prekært i små systemer, som solcellepanelene på veggen din eller vindmøller som skal gi et bidrag til et mindre kraftnett, et microgrid. Antakelsene som tidligere var forholdsvis nøyaktige blir mer kritiske – spesielt i mindre system. Et rimelig godt system er ikke lengre nødvendigvis godt nok.

50 Hz er frekvensen strømnettet i store deler av verden opererer med, og betraktes som stabil innenfor et lite variasjonsområde. Alt av elektriske apparater i huset ditt er avhengig av at leveringskvaliteten på spenning og frekvensvariasjoner er innenfor normer. Om kvaliteten ikke er god nok, kan de elektriske apparatene enten fungere dårligere enn de bør, eller rett og slett slutte å fungere.

Da er det helt essensielt at alle disse småaktørene leverer kraft som oppfyller kvalitetskravene.

Les også: Kan mikrokraftverk gi mer lykke?

Målte bølger og hjernesignaler

For å tolke målinger tok forskerne ved NTNU i bruk Hilbert-Huang Transform (HHT) for å avdekke frekvensrelaterte fenomen (momentane frekvensvariasjoner). (Se faktaboks.)

HHT

Hilbert-Huang transformen dekomponerer et gitt signal til et sett av monokomponenter. Hver monokomponent har en veldefinert momentanfrekvens.

Metoden ble opprinnelig utviklet for å analysere havbølger, men har senere fått et langt videre anvendelsesområde, som eksempelvis måling av signaler fra hjernen. Dette er første gang den er brukt for å analysere spenningens frekvensvariasjoner i elkraftsystemer.

Huang i navnet Hilbert-Huang er professor Norden Huang ved National Central University i Taiwan.

Professor Huang har vært leder for analyseenheten ved NASA Goddard Institute for Space Studies og samarbeider med universiteter som Harvard, Johns Hopkins, MiT og Oxford. Han samarbeider også med forskere og studenter fra NTNU. En av studentene er Geir Kulia.

Data fra Bhutan

Geir Kulia skriver for tiden på en masteroppgave ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon, veiledet av professor Lars Lundheim fra dette instituttet og professor Marta Molinas fra Institutt for teknisk kybernetikk ved NTNU.

NTNU samarbeider med Royal University of Bhutan i hovedstaden Thimphu. Foto: Privat.

Professor Fosso bidrar i denne sammenhengen med sin erfaring fra systemanalyser, og med utvikling av algoritmer for analyse av det elektriske kraftsystemet.

Kulia tok i bruk metoden for å analysere data han satt med fra et microgrid, et lite elektrisitetsverk, i Bhutan.

For å gjøre dette lagde Kulia en algoritme basert på Huang sin Hilbert-Huang Transform. Ved å bruke tradisjonelle metoder kunne han ikke identifisere de frekvensrelaterte variasjonene i spenningen som målingene viste. Dataene ga ingen mening.

– De ga i hvert fall ingen mening for meg, ler Kulia, og får støtte fra professor Marta Molinas.

Men ved å ta i bruk Hilbert-Huang Transform ble bildet helt annerledes.

Les også: Studenter skal sikre strømforsyning

Identifiserte feil i stedet for å maskere dem

Metoden viste seg langt mer egnet til å identifisere mulige problemer. Kulia fikk plutselig ledetråder.

– I dette tilfellet mistenker vi at problemet ligger i selve styreenheten, sier professor Molinas.

Styreenheten er den delen av nettverket som skal koordinere resten av nettet basert på måledata.

Hvis styreenheten responderer feil på målingene, kan den for eksempel forsøke å kompensere for frekvenskomponenter som egentlig ikke finnes, men som er et resultat fra algoritmen som analyserer dataene.

Da kan den delen av nettverket som skal regulere ut variasjoner i stedet innføre nye oscillasjoner, eller svingninger, i spenning og frekvens. Det vil du slett ikke ha.

I bransjen kan dette få store konsekvenser. At en styreenhet introduserer problemer er ikke noe produsenter av styringssystemer vil like å høre.

Les også:  Solen kan gjøre alle til strømprodusenter

Stor oppmerksomhet

Den nye metoden var langt mer egnet til å identifisere mulige problemer. Foto: Thinkstock.

Men også andre fenomener kan avdekkes ved bruk av den nye metoden. Uansett virker den langt bedre egnet til å analysere frekvensrelaterte fenomen enn mange tradisjonelle metoder basert på spektralanalyse. Den ser ut til å effektivt identifisere frekvenskomponentene i måledata uten å rapportere ikke-eksisterende frekvensvariasjoner. Dette er essensielt for å utforme styresystemer.

En artikkel om funnene med Kulia som førsteforfatter er allerede publisert, og en annen er akseptert for publisering der en av reviewerne hadde følgende kommentar:

«As solid state control equipment continues to expand, traditional «fundamental frequency» analysis is no longer sufficient, especially in microgrids.»

Les også:   75,1 prosent av norsk strømforbruk i 2015 var fossil- og atomkraft

For noen uker siden ble resultatene deres i tillegg publisert på Research Gate, et nettverk for forskere. Der har funnene fått stor oppmerksomhet.

– Dette kan bli viktig for elektroområdet, mener professor Fosso.

Andre vil si at det kan være en underdrivelse.

Kilder:

Instantaneous Frequency in Electric Power Systems. Non-stationary signal analysis in physical (including man-made) and biological systems. ResearchGate.

Towards a Real-time Measurement Platform for Microgrids in Isolated Communities. Geir Kulia; Marta Molinas, Lars Lundheim, Bjørn B. Larsen, in Humanitarian Technology: Science, Systems and Global Impact 2016, HumTech2016, Boston, USA

Tool for detecting waveform distortions in inverter-based Microgrids: a validation study. Geir Kulia, Marta Molinas, Lars Lundheim, in IEEE Global Humanitarion Technology Conference 2016, Technology for the Benefit of Humanity, Seattle, USA

Denne saken ble først publisert i Gemini

Populært